青藏高原隆升和夷平过程的数值模型研究

青藏高原自约45Ma前开始隆升以来,经历了多次隆起与夷平的交替过程.基于事实分析和这样一种理论假说:当地磁极性与现代相同时,地球内部对流活动强,造山运动强烈,青藏高原隆起速率大;相反时,地球内部对流活动大为减弱,青藏高原构造抬升速率为零,建立了高原高度随时间变化的微分方程模型.得到了其解析解,并利用古地磁资料和星际氢原子浓度资料计算了自高原隆升以来的高度变迁.对数学模型结果与事实分析结论的比较表明,两者相当一致,该模型较为逼真地再现了地质历史上青藏高原隆升和夷平的交替过程.该模型主要考虑了高原高度对侵蚀速率的影响以及地磁极性和星际氢原子浓度对抬升速率的影响.     

青藏高原东缘新生代隆升剥露与断裂活动的低温热年代学约束

青藏高原东缘作为高原生长的东边界,其新生代以来隆升剥露与扩展模式备受关注.高原内部平缓的地貌和边界构造带不显著的缩短变形被认为是下地壳流作用的重要证据.然而近年来,越来越多的低温热年代学研究结果表明,中-晚新生代以来跨不同断裂带存在显著的差异性隆升剥露,指示了断裂体系在青藏高原东缘构造变形与演化中的重要作用.本文系统收集区域内现有不同封闭温度体系的低温热年代学数据,综合分析结果表明青藏高原东缘隆升剥露及生长扩展与整个高原抬升具有准同步性.最为广泛和显著的剥露主要发生在~30 Ma以来,且高原东缘的最大侵蚀量区受控于断裂活动,快速侵蚀带的空间分布与鲜水河断裂带相一致.在区域尺度上,现有数据所揭示的剥露事件启动、持续时间及速率的显著差异性揭示了断层活动对青藏高原东缘地表剥露过程的控制作用.本文提出青藏高原向东扩展是多阶段、非均匀过程,新生代以来不同断裂带在青藏高原向东扩展过程中起到了至关重要的作用,不支持"下地壳流假说"强调的"东缘上地壳变形不显著"的认识.     

青藏高原东缘新生代隆升剥露与断裂活动的低温热年代学约束

青藏高原东缘作为高原生长的东边界,其新生代以来隆升剥露与扩展模式备受关注.高原内部平缓的地貌和边界构造带不显著的缩短变形被认为是下地壳流作用的重要证据.然而近年来,越来越多的低温热年代学研究结果表明,中-晚新生代以来跨不同断裂带存在显著的差异性隆升剥露,指示了断裂体系在青藏高原东缘构造变形与演化中的重要作用.本文系统收集区域内现有不同封闭温度体系的低温热年代学数据,综合分析结果表明青藏高原东缘隆升剥露及生长扩展与整个高原抬升具有准同步性.最为广泛和显著的剥露主要发生在~30 Ma以来,且高原东缘的最大侵蚀量区受控于断裂活动,快速侵蚀带的空间分布与鲜水河断裂带相一致.在区域尺度上,现有数据所揭示的剥露事件启动、持续时间及速率的显著差异性揭示了断层活动对青藏高原东缘地表剥露过程的控制作用.本文提出青藏高原向东扩展是多阶段、非均匀过程,新生代以来不同断裂带在青藏高原向东扩展过程中起到了至关重要的作用,不支持"下地壳流假说"强调的"东缘上地壳变形不显著"的认识.     

最近14 Ma青藏高原东北缘阶段性隆升的地貌证据

对青藏高原东北缘代表性的河流阶地-风成堆积序列进行了沉积学、地貌学和年代学的综合调查研究, 获得了最近14 Ma以来高原东北缘阶段性隆升的新证据和新认识. 湟水流域西宁-互助地区至少发育了11级典型的河流阶地(除第1级阶地T1外, 全部为基座阶地). 测试了阶地上覆风成黄土-红粘土序列的1030块古地磁样品、16块释光样品和4000多个粉末样品, 结合地貌发育和地层结构分析表明, T11, T10, T8, T7, T3, T2和T1分别形成于距今约14, 11.3, 1.55, 1.2, 0.15, 0.07和0.01 Ma. 基于沉积物分析和地貌发育过程的研究证实, 这里的河流阶地以构造抬升驱动为主, 以气候变化对河流阶地发育的影响为辅. 因此, 西宁盆地的阶地序列指示了14 Ma以来高原东北缘的多次阶段性抬升, 其中, 在距今14, 11.3, 1.2和0.15 Ma的构造抬升是明显的. 青藏高原东北缘西宁-互助地区的河流在中新世数百万年时间内(T11到T9)下切不到100 m, 而在更新世1.2 Ma以来(T7以来)下切了432 m, 指示了该地区在晚新生代后期加速隆升的事实. 湟水流域在1.55~1.2 Ma之间有一次大的水系格局调整. 在此之前, 古河流流向是西偏南, 之后流向为东偏南, 这次水系调整与构造活动有关.     

青藏高原隆升过程的三阶段模式

综合分析了前人对青藏高原岩石层构造和动力学研究的成果,提出印度板块和欧亚板块会聚、大陆碰撞及大陆形变的基本特征为青藏高原地壳的加厚和地壳缩短,地壳物质的横向流动;青藏高原隆升过程呈现出阶段性、多样性和复杂性;组成青藏高原的各块体可能有不同的主导隆升机制．认识到在板块构造理论所揭示的全球构造格局中,青藏高原不仅仅是印度板块和欧亚板块会聚、碰撞以及大陆形变的结果,它也是青藏高原大陆岩石层和下伏地幔物质运动的相互耦合、相互作用的结果．从地幔动力学的角度出发讨论了青藏高原隆升的断离险升－挤压隆升－对流隆升三阶段模式（ＢＣＣＭ）,结合数值模拟的结果分析了与此模式相对应的该区域岩石层构造、运动的地幔深部物质运移和动力学背景．     

青藏高原隆升过程的三阶段模式

综合分析了前人对青藏高原岩石层构造和动力学研究的成果,提出印度板块和欧亚板块会聚、大陆碰撞及大陆形变的基本特征为青藏高原地壳的加厚和地壳缩短,地壳物质的横向流动;青藏高原隆升过程呈现出阶段性、多样性和复杂性;组成青藏高原的各块体可能有不同的主导隆升机制．认识到在板块构造理论所揭示的全球构造格局中,青藏高原不仅仅是印度板块和欧亚板块会聚、碰撞以及大陆形变的结果,它也是青藏高原大陆岩石层和下伏地幔物质运动的相互耦合、相互作用的结果．从地幔动力学的角度出发讨论了青藏高原隆升的断离险升－挤压隆升－对流隆升三阶段模式（ＢＣＣＭ）,结合数值模拟的结果分析了与此模式相对应的该区域岩石层构造、运动的地幔深部物质运移和动力学背景．     

青藏高原北缘酒西盆地13 Ma以来沉积演化与构造隆升

13 MaBP以来从祁连山剥蚀的物质广泛沉积于酒西盆地南缘, 可划分出5个沉积相组合, 其沉积演化分为4个阶段. 酒西盆地的沉积与高原隆升响应关系揭示出高原自13 MaBP以来先后经历了: 稳定期(>8.26 Ma)、持续逐步较快速隆升期(8.26~<4.96 Ma)和急剧强烈阶段性隆升期(>3.66~0 Ma). 青藏高原的隆升是一个多阶段、不等速和非均变的复杂过程. 关键词     

青藏高原挤压隆升过程的数值模拟

将大陆岩石层视为由幂指数律控制的一层薄层,它上伏在粘滞性较低的软流层之 上蠕变流动,其运动限制在与东亚大陆构造形态较相似的边界模型的梯形框架之中．设印度 板块以一恒定的速度向北推进,并被视为青藏高原挤压隆升的主要动力．用数值模拟的方法 研究了青藏高原的挤压隆升演化过程,并对数值模拟的隆升过程作了剥蚀修正．结果表明, 由挤压模型所产生的地形和现代青藏高原及其邻区的地形格局比较吻合．同时也表明,挤压 隆升过程受多种因素（如岩石层的力学特性、边界条件以及剥蚀作用）的制约,无论从空间还 是从时间上看,模拟所反映的高原隆升都是不均匀的演化过程．     

青藏高原的隆起过程及其机制探讨

高原隆升是一个多阶段的(45～38Ma、25～17Ma、13～8Ma、3Ma至今)、不等速的和非均变过程。晚上新世以来,高原整体隆起与局部快速抬升,是两种以上机制联合运作的结果。     

南迦巴瓦峰第四纪隆升期次划分的热年代学证据

喜马拉雅东构造结南迦巴瓦峰核心区附近一个高程剖面上的8个片麻岩样品裂变径迹中值年龄介于0.71~2.07 Ma之间,平均封闭径迹长度在14.51~15.87 μm之间,标准偏差都小于0.84 μm;其冷却年龄和径迹长度所作"香蕉图"显示出三期快速的抬升期,分别发生在距今0.71 Ma、1.23 Ma、2.05 Ma.结合已有磷灰石裂变径迹冷却年龄等值线图显示出南迦巴瓦峰核心区呈复式背斜状快速隆升,而外围拉萨地体和冈底斯构造单元隆升速率慢的空间分布特征等,分析认为这种差异隆升主要受构造作用主导,气候变化造成的均衡抬升起次要作用.     

青藏高原挤压隆升过程的数值模拟

将大陆岩石层视为由幂指数律控制的一层薄层,它上伏在粘滞性较低的软流层之 上蠕变流动,其运动限制在与东亚大陆构造形态较相似的边界模型的梯形框架之中．设印度 板块以一恒定的速度向北推进,并被视为青藏高原挤压隆升的主要动力．用数值模拟的方法 研究了青藏高原的挤压隆升演化过程,并对数值模拟的隆升过程作了剥蚀修正．结果表明, 由挤压模型所产生的地形和现代青藏高原及其邻区的地形格局比较吻合．同时也表明,挤压 隆升过程受多种因素（如岩石层的力学特性、边界条件以及剥蚀作用）的制约,无论从空间还 是从时间上看,模拟所反映的高原隆升都是不均匀的演化过程．     

四川盆地南部地区新生代隆升剥露研究——低温热年代学证据

本文通过背斜褶皱变形与低温热年代学年龄(磷灰石和锆石(U-Th)/He、磷灰石裂变径迹)端元模型研究,约束低起伏度、低斜率地貌特征的四川盆地南部地区新生代隆升剥露过程.四川盆地南部沐川和桑木场背斜地区新生代渐新世-中新世发生了相似的快速隆升剥露过程(速率为~0.1 mm/a、现今地表剥蚀厚度1.0~2.0 km),反映出盆地克拉通基底对区域均一性快速抬升冷却过程的控制作用.川南沐川地区磷灰石(U-Th)/He年龄值为~10—28.6 Ma, 样品年龄与古深度具有明显的线性关系,揭示新生代~10—30 Ma以速率为0.12±0.02 mm/a的稳态隆升剥露过程.桑木场背斜地区磷灰石裂变径迹年龄为~36—52 Ma,古深度空间上样品AFT年龄变化不明显(~50 Ma)、且具有相似的径迹长度(~12.0 μm).磷灰石裂变径迹热演化史模拟表明桑木场地区经历三个阶段热演化过程:埋深增温阶段(~80 Ma以前)、缓慢抬升冷却阶段(80—20 Ma)和快速隆升剥露阶段(~20 Ma—现今),新生代隆升剥露速率大致分别为~0.025 mm/a和~0.1 mm/a.新生代青藏高原大规模地壳物质东向运动与四川盆地克拉通基底挤压,受板缘边界主断裂带差异性构造特征控制造就了青藏高原东缘不同的边界地貌特征.     

青藏高原东南缘大凉山新生代隆升建造过程——多封闭系统低温热年代学与热模型限制

长波长、低起伏度大凉山构造带新生代隆升剥露与建造过程是解译青藏高原东向扩展过程的关键核心地区之一.本文基于大凉山构造带喜德剖面和沐川剖面9件样品的多封闭系统低温热年代学年龄(即磷灰石(U-Th)/He(AHe)、磷灰石裂变径迹(AFT)和锆石(U-Th)/He(ZHe))定年,揭示出多封闭系统热年代学年龄与古岩性柱深度具有明显的正相关性,即伴随古岩性柱深度增大,多封闭系统热年代学年龄明显减小.喜徳剖面多封闭系统低温热年代学AHe、AFT和ZHe年龄值分别为7-9 Ma、14-22 Ma和25-38 Ma;沐川剖面多封闭系统低温热年代学AHe和AFT年龄值分别为10-26 Ma、23-85 Ma, ZHe年龄值为未完全退火年龄.多封闭系统热年代学和QTQt热史模拟揭示,大凉山构造带喜徳和沐川剖面岩性柱所有样品都经历大致相似的三阶段热演化过程,尤其是晚新生代快速隆升剥露阶段(30-20 Ma以来),其平均剥露速率分别为~0.15 mm·a-1和~0.20 mm·a-1,抬升剥露量分别为~3.0 km和~1.5 km.结合区域低温热年代学特征的大凉山构造带地表隆升动力学模型,揭示出重力均衡作用下地壳缩短与剥露作用(即构造隆升剥露机制)控制形成了现今大凉山造山带长波长、低起伏和高海拔地貌建造过程.     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟

修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程,并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响,用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程. 数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好,揭示了高原隆升演化过程的非平稳和多阶段的特性;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.     

龙门山推覆构造带新生代热演化历史研究及其对青藏高原东缘隆升机制的约束

龙门山作为青藏高原的东边界,是一个从青藏高原到四川盆地的陡直的过渡地带,其新生代的造山运动受到约50 Ma年前印度板块和欧亚板块碰撞的影响.2008汶川地震及其后续的研究证明了其晚更新世以来的活跃性,但是对于龙门山推覆构造带及其邻近地区的新生代的演化过程的认识还较缺乏.     

青藏高原东北缘中新生代构造演化: 来自磷灰石和锆石裂变径迹的证据

青藏高原东北缘隆升机制和过程一直以来备受争议,本文为了进一步限定北祁连山及其北缘地区山体的隆升历史,在旱峡、白杨河和红山以及酒泉盆地以北的黑山和金塔南山进行了磷灰石和锆石裂变径迹分析.测试结果表明,研究区基岩样品的磷灰石裂变径迹年龄分布在晚白垩世—上新世（82~4.2 Ma）,径迹长度介于9.6~13.6 μm;锆石裂变径迹年龄分布范围为106.3~480.5 Ma,多数介于106~195 Ma.结合镜质体反射率,热史模拟曲线揭示了中新生代三期主要的冷却降温事件：早白垩世期间（140~100 Ma）、始新世期间（55~30 Ma）、中新世（10~8 Ma）以来.早白垩世期间的隆升剥露冷却过程可能由于拉萨地块的北向拼贴碰撞引起;始新世期间的隆升剥露冷却事件可能是印度与欧亚板块碰撞远程快速响应的结果;中新世以来的隆升剥露冷却过程与北祁连山逆冲断层的构造活动有关.

     

青藏高原东北部龙首山晚新生代剥露历史:来自磷灰石(U-Th)/He的证据

龙首山位于阿拉善地块南缘,也是青藏高原东北部最外围的山脉之一。揭示龙首山新生代构造变形与隆升过程对于理解青藏高原东北部的隆升与向外扩展及其动力学机制具有重要意义。文中利用磷灰石(U-Th)/He方法,对青藏高原东北部龙首山南、北两侧岩石的侵蚀与隆升过程开展研究。采集自龙首山南缘的11个磷灰石的(U-Th)/He年龄结果显示,在其南缘断层的控制下,龙首山约于14Ma BP发生了强烈隆升或剥蚀,导致上部岩石快速冷却。而在龙首山北缘采集的3个样品的年龄较老(220～240Ma),但年龄非常相近,表明其北侧活动较弱,龙首山整体表现为掀斜模式。龙首山中中新世由南向北的掀斜式抬升不仅揭示了青藏高原东北部挤压应变可能由南向北扩展,同时也限定了青藏高原在中中新世已向NE扩展至阿拉善地块南缘,使龙首山成为高原东北部现今构造与地貌的边界。     

龙泉山背斜的地壳缩短与隆升——来自河流阶地变形的证据

位于龙门山逆冲推覆构造带东侧的龙泉山背斜,构成了四川前陆盆地的前陆隆起。通过室内航空相片对凯江跨背斜段的地貌面的解译,结合野外考察可知凯江发育3级阶地,其中T₁、T₂为堆积阶地,T₃为基座阶地。在野外用差分GPS测量了阶地的空间坐标信息,同时采集了各级阶地堆积物的测年样本,并经实验分析约束了阶地的形成年龄。另外,对石油地震剖面解译揭示出龙泉山背斜北段地壳缩短和隆升主要是通过褶皱膝折带迁移机制进行的,滑脱层的深度约6km。利用面积守恒准则计算出龙泉山背斜晚更新世以来的地壳缩短速率约为(1.36±0.41)mm/a、隆升速率为(0.64±0.19)mm/a。通过滑脱层的推覆抬升机制形成的龙泉山背斜,给青藏高原东缘变形模式中的逆断层推覆地壳缩短造山增加了证据。     

青藏高原东缘的地壳流及动力过程

黏滞性地壳流对地壳及上地幔变形作用及动力机制,是大陆新生代造山带的一个重要研究内容.青藏高原中下地壳存在部分熔融或含水物质的黏滞性流体,已为一系列地球物理及岩石学研究所证实.为研究青藏高原东缘地壳流的动力作用,本文用密集的被动源宽频带地震台的观测数据,反演了地壳上地幔精细速度结构和泊松比.研究表明,川西及滇西北高原的中地壳内普遍存在低速层,而高泊松比的地壳只分布在川西北地区.位于中地壳的黏滞性地壳流从青藏高原腹地羌塘高原流出,自北西向南东流入青藏高原东缘.这些黏滞性地壳流带动了上地壳块体水平移动,当它们受到刚强的四川盆地及华南地块阻挡时将发生分层作用,地壳流将分为二或更多分支不同方向的分流,向上的一支地壳流将对上地壳产生挤压,引起地面隆升,向下的一支地壳流将使莫霍面下沉加厚下地壳.黏滞性地壳流的运动在地壳中产生应变破裂发生强烈地震活动,地震的空间分布与震源机制也受到地壳流动力作用控制.