0.   引言

作为青藏高原的组成部分, 川西高原耸立于四川盆地的西侧, 龙门山构造带构成了高原的东界。该带向北东延伸与秦岭构造带相连, 向南西与康滇地轴相接, 著名的南北地震带由此通过。

川西高原隆升过程的研究受到国内外地质学者的广泛重视。唐荣昌等^[1]从构造地貌学角度总结了川西高原区3期4级夷平面, 分别是新近纪末青海早期夷平面(海拔4200~ 4500 m)和青海晚期夷平面(海拔3800~4000 m)、早更新世漳腊夷平面(海拔3500 m)、中更新世涪江夷平面(海拔2000~2300 m)。刘树根^[2]等, Arne D.等^[3]通过对川西高原中生代侵入体磷灰石等矿物的裂变径迹测年、龙门山构造带不同部位变质杂岩、三叠系砂岩的磷灰石、锆石裂变径迹测年, 计算了由断裂带分割的各构造带新生代以来的冷却过程和隆升速率, 认为上新世-更新世为快速冷却时期。刘树根等^[4]总结了印支运动以来龙门山-前陆盆地系统7个地层-构造事件, 认为喜马拉雅期60Ma、30~40Ma、20~25Ma和10Ma的构造事件使得龙门山造山带-川西前陆盆地系统发生强烈冲断作用和隆升作用。蒋复初等^[5]依据晚新生代地层记录, 提出青藏高原东南部地貌边界带雏形出现于距今2.5 Ma左右、定型于1.2 Ma。Xu等^[6]通过鲜水河断裂111个样品的磷灰石、锆石裂变径迹年龄的测定和统计, 提出新近纪存在22Ma、7Ma、2Ma三个显著的冷却时期, 认为青藏高原现今高度形成于早更新世。Kirby等^[7]采用U-Th/He热年代学方法对区内几个主要中生代侵入体进行了测试, 提出高原快速隆升剥露起始时间在上新世前, 但不早于中新世(5~10Ma)。李勇等^[8]依据地层不整合面和ESR测年数据, 将青藏高原东缘新生界划分为5个构造层, 指出高原东缘构造地层记录了印度-欧亚大陆碰撞产生的远程效应。唐荣昌等^[9]、邓起东等^[10]、陈社发等^[11~12]、赵小麟等^[13]等通过构造地貌学、第四纪年代学等方面的分析, 研究了岷山-龙门山中、晚更新世以来断裂活动性和地震活动性。钱洪等^[16]研究了成都平原的第四纪沉积记录和活动断裂特征, 建立了龙门山推覆构造带与成都平原之间的成因关系。

尽管龙门山地区开展过较多构造热同位素年代学研究工作, 但大部分测试的样品主要针对分散的侵入岩体, 而完整的剖面样品测试工作尚没有进行; 对断裂活动事件的年代学也缺乏详细的测试分析工作。虽然对高原隆升阶段的划分存在多种方案, 但仍然缺乏足够年代学资料的制约。

裂变径迹测年方法已成功应用于构造带、山脉和高原隆升剥露时代的研究, 相继在青藏高原南部的喜马拉雅造山带、东喜马拉雅构造结、喀喇昆仑地区、西昆仑、阿尔金山和帕米尔构造结等地区获得了一批重要的热年代学数据(丁林等^[15]; 陈文寄等^[16]; 王军^[17]; 陈正乐等^[18])。如钟大赉等^[19]通过对东喜马拉雅构造结地区大量的裂变径迹测年, 提出了高原隆升是一个多阶段(45~38Ma、25~17Ma、13~8Ma、3Ma至今)、不等速和非均性的演变过程, 并指出, 晚上新世以来青藏高原发生了整体隆起与局部快速抬升, 3 Ma以来是隆升最强烈阶段。

裂变径迹测年的另一应用领域是帮助确定断裂最新活动的时代^[20]。由于断层活动导致温度和压力的变化, 使断裂构造岩内磷灰石"部分或全部"退火, 原径迹部分或全部消失, 降温后径迹重新累积计时。据此, 可以通过对断层泥或碎裂岩中磷灰石裂变径迹测试, 确定断层最后一次强烈活动的年龄(陈文寄等^[21])。

本文以不同构造单元的地貌要素和断裂带为研究对象, 运用裂变径迹测年法, 初步确定了川西高原晚新生代隆升过程和主要断裂最晚活动的时代。

1.   地质背景

川西高原由三个构造单元组成(图 1):川西前陆盆地、夹于安县与汶川-茂县断裂之间的龙门山逆冲推覆构造带、位于汶川-茂县断裂以西松潘-甘孜褶皱构造带。龙门山逆冲推覆构造带北起广元, 南达天全, 长约500km, 宽30多km。映秀-北川断裂将其分为前山带和后山带两个部分(龙学明等^[22]), 映秀-北川断裂以东由古生界-三叠系片岩组成多个逆冲推覆体的称前龙门山, 断裂以西由元古宙、古生界几个古隆起褶皱带组成后龙门山; 大致以绵竹的汉旺和都江堰的三江口断裂为界, 前山带又被分为北段(叠瓦冲断带)和中南段(滑覆-滑塌构造带)两段。

图  1  川西高原裂变径迹测年数据分布与地质简图

1.中生代侵入体; 2.前中生代侵入体; 3.第四系; 4.古近系、新近系; 5.侏罗系、白垩系; 6.三叠系; 7.古生界; 8.元古宙; 9.断裂, WMF:汶川-茂县断裂, YBF:映秀-北川断裂, GAF:都江堰市-安县断裂; MYLF:米亚罗断裂, SPGF:松坪沟断裂; 10.高程点及高程值; 11.本次测试磷灰石裂变径迹年龄及样品编号; 12.U-TH/He测年数据, 据Kirby et al. (2002); 13.裂变径迹数据, 据Arne D. (1997), (a)为磷灰石数据, (z)为锆石数据; 14.A-A':图 3剖面位置、B-B':图 2剖面位置。

Figure  1.  Sketch map of geology with fission-track ages in Western Sichuan Plateau

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图  2  FT1~3样品位置地形构造剖面图

PδO:二叠纪石英闪长岩; Sm:志留系茂县群; Nh:南华系苏雄组; Pt₂:中元古代黄水河群; Pt₁:早元古代康定群; Pt₁ N:早元古代铁镁质岩

Figure  2.  Topographic profile and location of Samples FT1~3

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图  3  FT9~FT15样品位置地形构造剖面图

γδο:燕山期岩体; T:三叠系

Figure  3.  Topographic profile showing location of samples FT9~FT15

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龙门山构造带经历了复杂的构造演化历史。罗志立等^[23]认为龙门山冲断带是四川盆地大陆地壳在中、新生代向西北和青藏高原俯冲所形成, 其动力学模式为多层次、多阶段、深层构造控制浅层变形的陆内俯冲(即C型俯冲), 指出龙门山冲断带是一个独立的造山带, 应与松潘一甘孜褶皱带分开。许志琴等^[24]则认为龙门山构造带是松潘-甘孜造山造山带主体向扬子克拉通逆冲推覆的前缘地带。曾允孚等^[25]、李勇等^[26~27]等将龙门山冲断带与四川盆地作为一个整体, 从前陆盆地沉积序列、充填史、构造地层和盆山耦合关系等方面进行了研究, 以地层角度不整合接触关系为依据, 划分了推覆变形诸阶段, 建立了龙门山前陆盆地与冲断带同步沉积-构造演化模式。

龙门山逆冲推覆构造带在各个不同地质历史时期的构造特征表现不同, 普遍认为龙门山推覆构造带由西北向东南具有韧性到脆性变形的变化过程^[28], 其扩展方式为前展式或背驮式^[29], 韧性变形主要发生在印支期和燕山期^[30~31], 新生代以来以脆性变形为主。龙门山构造带新生代期间的多阶段活动性也比较明显, 唐荣昌等^[1]等曾将龙门山的喜山运动分为渐新世末、上新世末和早更新世末3期。

本世纪以来相继发生昆仑山口西地震(2001年11月14日, 8.1Ms, Ⅺ)、汶川地震(2008年5月12日, 8.0Ms, Ⅺ)和玉树地震(2010年4月14日, 7.1Ms, Ⅶ) 3个强烈地震, 更把人们的目光和研究重点聚焦到龙门山和川西高原这一地区^[32~41]。

2.   采样位置及采集

本次采样主要集中在川西高原与后龙门山之间的地段, 试图获取这两个构造地貌区及活动断裂的年代学资料。为了提高样品测试结果的可靠性和可对比性, 兼顾断裂样品与地形剖面两方面内容, 我们选取了地质调查程度较高的米亚罗-理县、卧龙-映秀两条剖面, 采集了12件3种类型的样品:北川-映秀断裂、茂县-汶川断裂、米亚罗断裂的断裂样品; 彭灌杂岩体、侏罗纪岩体的岩体样品和下三叠统地层样品。采样位置见图 1、表 1, 样品的高程数据取自2m精度的气压计读数, 以手持型GPS的测定数据用作参考, 同时还应用1: 50000地形图定点数据进行了校正。

表  1  磷灰石裂变径迹样品数据表

Table  1.  Results of apatite fission track dating

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3.   测试结果

磷灰石的裂变径迹测试是在国家地震局地质研究所裂变径迹实验室完成, 流程采用外探测器法, 用美国国家标准局SRM612铀标准玻璃, 裂变径迹年龄用Zeta法计算, 标样为Durango磷灰石, 计算公式引用Hurford等(1982)。结果见表 1。

3.1   断裂活动年代测定

FT1样品为花岗质碎裂岩, 采于映秀西侧, 采样点位于北川-映秀断裂西盘接近主干断裂处(图 2), 该点断裂构造迹象明显, 破裂发育, 活动断裂地貌表现尤为清晰, 断裂西盘为二叠纪石英闪长岩东盘为南华系苏雄组, 断裂东盘阶地发育。样品岩石为变余中细粒花岗结构, 碎裂构造, 斜长石的粘土化、绢云母化明显, 石英颗粒明显呈现带状消光、波状消光; 岩石内不规则网状裂隙发育, 其间被绢云母、绿帘石、碳酸盐等充填, 表明岩石受到过明显的碎裂作用和蚀变。FT1 (花岗质碎裂岩)的裂变径迹年龄为1.2 ± 0.3Ma, 记录了早更新世时期北川-映秀断裂带一次重要的活动。

FT3采于汶川耿达东, 处于茂县-汶川断裂主断裂上, 地表为北东向断裂, 裂面平直, 走向NE23°, 倾向NW倾角56~65°, 岩石为花岗质糜棱岩, 糜棱结构, 块状构造、碎裂构造, FT3的磷灰石裂变径迹年龄为1.3 ± 0.4Ma。

FT6采于汶川大邑坪, 采样点处于茂县-汶川断裂上, 采样处为北东断裂带, 样品为中细粒斑状花岗闪长质碎裂岩, 中细粒花岗结构, 碎裂构造, 长石以斜长石为主粘土化强、绢云母化明显, 石英颗粒明显呈现带状消光、波状消光.断裂带发育于斜长花岗岩中, 地貌为北东向陡坎, FT6的磷灰石裂变径迹年龄为1.2 ± 0.4Ma。

FT12样品采自米亚罗断裂(图 3), 样品为中细粒钙质岩屑砂岩, 岩石裂隙发育, 裂隙由钙质和粘土等充填; FT13样品采自米亚罗断裂的次级断裂, 样品为碎裂花岗岩, 产于岩体边部碎裂带, 两个样品均采于深切谷地的侧壁。FT12和FT13磷灰石裂变径迹年龄分别为0.5 ± 0.2 Ma和0.5 ± 0.1 Ma。

3.2   剥露与切割年代测定

FT2采于汶川木江坪东, 样点位于汶川-茂汶断裂与映秀-北川断裂之间(图 1、图 2), 构造部位为龙门山推覆构造带中的后龙门山。FT2岩性为强蚀变斜长角闪岩, 属于早元古代康定群, 为彭灌杂岩体组成部分, 岩石具变余花岗结构, 块状构造, 见绿泥石化, 绿帘石化。FT2的磷灰石裂变径迹年龄为6.8 ± 2.9Ma。

FT4采于汶川东界老, 样点处于岷江河谷中, 构造部位为汶川-茂汶断裂与映秀-北川断裂之间, 构造部位为龙门山推覆构造带中的后龙门山(图 1)。FT4岩性为角闪岩, 属于彭灌杂岩体西南段中心部分, 岩石具块状构造, 为自形柱粒状结构, 由角闪石、辉石斜长石等组成。FT4的磷灰石裂变径迹年龄为0.7 ± 0.2Ma。

FT9~FT12样品采于大渡河水系与岷江水系的分水岭与两侧河谷地段(图 3), 除FT9为三叠纪石英二长岩体外, 其他均为下三叠统新都桥组岩石, 岩性为浅变质砂岩、岩屑砂岩等。FT10和FT11两个样品采于分水岭附近, FT10高程为3419m, 磷灰石裂变径迹年龄为2.9 ± 1.1Ma, FT11高程为4022m磷灰石裂变径迹年龄为2.4 ± 0.5Ma; FT9和FT12两个样品采于两侧河谷中, FT9采于大渡河水系梭磨河河谷, 高程为3251m磷灰石裂变径迹年龄为0.9 ± 0.2Ma, FT12采于岷江水系来苏河河谷, 高程为3577m磷灰石裂变径迹年龄为0.5 ± 0.2Ma。

FT15采于理县朴头, 处于杂谷脑河北岸, 松潘甘孜构造带边缘接近龙门山逆冲推覆构造带的部位(图 1), 系下三叠统侏倭组岩石, 岩性为板岩, FT15裂变径迹年龄3.8 ± 1.0Ma。

4.   讨论

4.1   主要边界断裂最新活动时代

近北川-映秀断裂带的FT1 (花岗质碎裂岩)的裂变径迹年龄为1.2 ± 0.3Ma, 明显小于断裂两侧二叠纪石英闪长岩和南华系苏雄组的形成时代, 也小于两侧岩石的裂变径迹年龄, 因此它记录了早更新世时期北川-映秀断裂带一次重要的活动。断裂的最新活动时代晚于断裂两侧岩石的剥露年代, Arne et al.^[3]在北川-映秀断裂两侧的岩石分别获得了两组磷灰石裂变径迹年龄数据(4.8 ± 3Ma和三6.5 ± 2.4Ma)和一个锆石裂变径迹年龄数据(110 ± 4Ma); Kirby et al.^[7]在该断裂以西获得一组AFT测年数据(4.6 ± 0.4Ma)。我们在该断裂西侧的花岗质杂岩体内获得的磷灰石裂变径迹年龄为6.8 ± 2.9 Ma (样品FT2)。

茂县-汶川断裂上的FT3、FT6的磷灰石裂变径年龄为1.3 ± 0.4和1.2 ± 0.4Ma同样反映茂县-汶川断裂也曾经历过一次强烈的活动。这两个样品采样位置相距甚远, 测试结果非常接近。据此推断, 茂县-汶川断裂在早更新世发生过一次规模较大的强烈活动(图 2)。

以上数据可以认为, 龙门山两条主边界断裂晚期活动时间接近, 龙门山逆冲推覆构造带的最晚一次强烈活动发生在早更新世。唐荣昌等^[9]曾经报道都江堰市-安县断裂的都江堰市二王庙断层泥扫描电镜(SEM)分析结果以及据此估测的两次活动时间:早更新世和晚更新世。显然, 其早期与本次测试结果基本一致。这期活动在四川盆地内部也有较强的反映, 由于成都平原东西两侧边界断裂在第四纪的对冲作用, 成都平原具有地堑式盆地特点(钱洪等^[14]), 盆地基底显示出向龙门山倾斜的特点。资料表明, 盆地在第四纪具有较大的沉降速率, 达0.3 mma^-1 (曾允孚等^[25])。第四纪早期粗碎屑楔状体的广泛发育、山前冲积扇和山前冲积平原的分布、砾石层与粘土层交替构成的退积型构造层序等盆地充填特征, 都可能是盆地对龙门山逆冲推覆构造带早更新世强烈活动的响应。

龙门山两条主断裂的构造岩为在糜棱岩基础上发育的碎裂岩, 其糜棱结构反映岩石早期遭受了糜棱岩化作用, 其碎裂构造则反映晚期龙门山两条主边界断裂的脆性破裂过程。关于早期断裂性质和时间, 刘树根等^[2]、Arne et al.^[3]曾提出的茂县-汶川断裂在印支期发生过强烈韧性剪切作用的观点。

4.2   米亚罗断裂活动时代

川西与龙门山相邻地区的北西向断裂的存在很早就被认识。除了著名的鲜水河断裂带外, 还有松岗沟断裂、阿坝断裂、松坪沟断裂、米亚罗断裂和抚边断裂等, 这些断裂地表延续性差, 研究程度较低, 都具有较强的地震活动性, 如松坪沟断裂末端的叠溪地震带、阿坝-马尔康地震带等。沿断裂往往发育深切河谷, 如来苏河谷、黑水和松坪沟等。

米亚罗断裂是一条左旋走滑断裂, 遥感线性影像特征清楚, 沿断裂带滑坡崩塌等地质灾害频发, 延断裂发生过较强的现今地震活动。FT12和FT13磷灰石裂变径迹年龄分别为0.5 ± 0.2 Ma和0.5 ± 0.1 Ma。样品反映了米亚罗断裂中更新世强烈活动。与此次活动相当的事件在龙门山构造带中也有表现, 文德华^[42]获得了青川断裂带TL (热释光)年龄(44.96 ± 3.557) × 104 a, (48.61 ± 3.60) × 104 a)。

4.3   高原快速隆升时间

彭灌杂岩体已经获得了不同的剥露年龄数据(如图 1)。本次测定的FT2磷灰石裂变径迹年龄为6.8 ± 2.9Ma, 与Arne et al.^[3]获得的彭灌杂岩体磷灰石裂变径迹年龄(6.5 Ma、4.8Ma)和宝兴杂岩体磷灰石裂变径迹年龄(8.9 Ma、4.3Ma)基本一致, 与Kirby et al.^[7]获得的彭灌杂岩体磷灰石裂变径迹年龄(4.6Ma)吻合。这个结果进一步揭示了龙门山逆冲构造带基底岩石在中新世晚期快速隆升过程。

采于松潘-甘孜构造带边缘接近龙门山逆冲推覆构造带部位的样品(FT15), 其裂变径迹年龄为3.8 ± 1.0Ma, 大于川西高原内部, 但小于龙门山逆冲推覆构造带基底岩石, 暗示高原边部隆升早于高原内部, 这与龙门山推覆构造带总体为中新世中晚期隆升、高原内部于上新世末隆升的事实是一致的。

4.4   深切河谷地貌形成时间

河谷地貌不同部位的剥露年代反映了河谷下切的时间, 梭磨河和来苏河都位于高原面上, 在同一分水岭的两侧。在大渡河水系梭磨河河谷一侧, 分水岭附近高程3419m的样品FT10磷灰石裂变径迹年龄为2.9 ± 1.1Ma, 河谷中高程3251m的样品FT9磷灰石裂变径迹年龄为0.9 ± 0.2Ma; 在岷江水系来苏河河谷一侧, 分水岭附近高程4022m的样品FT11磷灰石裂变径迹年龄为2.4 ± 0.5Ma, 河谷中高程3577m的样品FT12磷灰石裂变径迹年龄为0.5 ± 0.2Ma。可见分水岭的剥露时间大致在早更新世(2.9~2.4 Ma), 高原内部河谷底部则在中更新世才剥露, 分水岭与两侧河谷剥露时间的差异, 揭示了上新世末到中更新世川西高原的强烈隆升与河流的深切过程, 同时也指示以梭磨河和来苏河分水岭为代表的川西高原普遍存在的4500 m地貌面存在于上新世末期以前。

在后龙门山的汶川东界老岷江干流河谷中, 高程970m的样品(FT4)磷灰石裂变径迹为0.7 ± 0.2Ma, 比较前文讨论的相同构造部位非河谷地段中新世晚期(4.6~8.9 Ma)的剥露年代, 岷江干流流域的龙门山构造带地区河流深切的起始时间早于高原内部。

本次所测得的岷江支流来苏河-杂谷脑河河谷下切0.5Ma时期与川西主要河流地貌特点一致, 据唐荣昌等^[1]统计, 金沙江、雅砻江、鲜水河、大渡河及岷江等中更新世以前的河流Ⅴ、Ⅵ级阶地中才有侵蚀阶地, 而基座阶地占绝大多数, 且没有堆积阶地的观察记录。测试结果显示, 上新世末是川西高原强烈隆升时期, 也是川西高原现今深切河谷地貌形成的主要时期, 中更新世是北西向米亚罗断裂最晚一次强烈活动时期, 与此同时河流的下切速率较大。

5.   结论

图 1上标示了作者收集整理的川西高原及龙门山地区现有磷灰石、锆石裂变径迹U-TH/ He年龄数据, 可以看出大部分年龄小于20Ma, 在汶川-茂县断裂以西的高原区有20 Ma、6 ~8 Ma、3~4 Ma几个数值段, 它们可能代表了该地区主要的地质体剥露时间段, 或许对应了相应的隆升时期, 本次获得的0.8~0.5 Ma对应了河谷剥露时期。在后龙门山数据集中于7~5 Ma, 似乎可以指示高原边缘山脉隆升剥露时期。

基于本次测试数据的结果和相关资料的分析, 川西高原新近纪以来经历了中新世晚期和上新世末期(2.9~2.4Ma)两个快速隆升阶段。龙门山逆冲推覆构造带的主边界断裂:汶川-茂县断裂和映秀-北川断裂, 在早更新世(1.2~1.3 Ma)有一次强烈的活动, 而北西向米亚罗断裂中更新世(0.5 Ma)有一次强烈的活动。晚第四纪断裂活动同时伴随来苏河河谷-杂谷脑河河谷的下切, 代表了川西高原现今深切河谷的发育时期。

后记:本文是杨农研究员本世纪初在川西高原野外调查和研究的成果之一, 由于工作繁忙, 该成果一直没有发表。杨农今年仙辞人间, 我们悲痛万分, 把此研究成果整理发表, 以此表示深切怀念。