新疆叶尔羌河上游全新世阶地的释光年代与河流下切速率

刘进峰 陈 杰 王昌盛

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

新疆叶尔羌河上游全新世阶地的释光年代与河流下切速率

刘进峰 陈 杰 王昌盛

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

采用细颗粒石英简单多片再生法对新疆叶尔羌河上游阶地进行了光释光测年，并在不同实验室进行了等效剂量对比测试，结果基本一致。测年结果显示，该阶地沉积形成于距今4.3～7.3ka，自阶地形成以来，河流下切(27±5)m，下切速率(6.3±1.2)mm/a。塔什库尔干河中上游河流的快速下切可能与慕士塔格山穹窿的快速隆升或第四纪冰川作用有关。

河流阶地 光释光测年 叶尔羌河 下切速率

0 引言

活动造山带水系的发育及其对构造隆升、气候环境变化的响应和反馈是目前地表过程研究的热点和切入点(Burbank et al.，1996，2002;Whipple et al.，1999，2000;顾兆炎等，2006)。其中，河流阶地的形成时代及其所反映的堆积和下切速率，是开展上述研究的重要参数之一。

塔里木南缘源自帕米尔—西昆仑山的叶尔羌河、喀拉喀什河、玉龙喀什河等河流两岸均零星发育河流阶地，这些阶地记录了晚第四纪山脉隆升与山前盆地构造与环境演化的详细过程(王永等，2009)。其中，新疆塔里木河水系叶尔羌河发源于喀喇昆仑山和帕米尔高原，出山后汇入塔里木河，是该区最大的河流之一。本文选择叶尔羌河上游支流塔什库尔干河残存的全新世阶地河流相沉积物，对其形成时代进行了光释光测年，并结合该地的构造热年代学数据，讨论了不同时期的河流下切速率。

1 材料与方法

1.1 阶地剖面位置及地层特征

新疆塔什库尔干河是叶尔羌河的主要支流之一，属于冰川融雪补给型河流，降雨很少，河水流量随着气温而变化。在由塔什库尔干谷地向东横穿帕米尔东部时形成高山峡谷，河床落差大，河水流速急，河两岸仅零星发育阶地。本文所研究阶地位于塔什库尔干河中下游塔什库尔干塔吉克自治县下坂地水库与库科西鲁克乡之间的高山峡谷内，GPS坐标37.837°N，75.721°E，为一残存在河北岸的全新世阶地。河谷两岸为元古界角闪黑云二长片麻岩、角闪片岩、云母石英片岩及薄层大理岩等。构造上处于晚新生代以来强烈隆升的慕士塔格片麻岩穹窿内(Robinson et al.，2007;Sobel et al.，2011)(图 1)。河床高程 2480 ～2490m，河谷宽 100 ～200m，两岸山峰高程4000～5000m，相对高差2000～2500m，山势险峻，无植被覆盖。

图1 新疆塔什库尔干-叶尔羌河及主要构造分布(据Sobel et al.，2011改编)Fig.1 DEM along the Tashkurgan-Yarkant River showing the sampling site and major structures(after Sobel et al.，2011).

该阶地剖面厚约13m，主要由河床相砾石层与砂、黏土层构成河流相二元结构，侧向上相变迅速。总体可分为10套地层，最顶部(第1层)为厚约0.7m的含角砾中粗砂，分选磨圆差，为阶地面形成后的近缘坡积物。上部3m(第2层)为中、粗砂层夹层理发育的粉砂层，含砾;部分粗砂层侧向上相变为粗砂砾层，可能为砂质河床相沉积。剖面中部4m(第3层)为粉细砂、黏土和中细砂互层，层理发育，为漫滩相沉积。剖面下部5m(第4～10层)地层为中、细砾石层，夹粉砂、细砂层，未见底，为河床相沉积。选择剖面阶地堆积物中层理发育的粉砂或泥质粉砂层采集了光释光样品，剖面具体分层情况及采样部位见图2，3。

1.2 释光信号测试

测样的前处理和制备在中国地震局地质研究所释光年代学实验室完成，光释光信号测量在Daybreak 2200自动测量系统上完成。在暗室内，先用浓度为30%的H2O2和浓度为37%的HCl对样品进行处理，以清除有机质和碳酸盐类。随后，采用静水沉降法分离出粒径为4～11μm的细颗粒多矿物组分，用30%的氟硅酸反复浸泡以提取细颗粒石英。

Daybreak 2200自动测量系统的激发光源为波长(470±5)nm的蓝光束(最大光强67.3mW/cm2)，测试过程中，使用光源最大功率的80%。光释光信号通过EMIQA9235型光电倍增管(PMT)检测，在PMT前面附加两块U-340滤光片。机载辐照源于2010年9月1日采用丹麦Risoe实验室辐照的高灵敏度细颗粒石英标样标定的剂量率为0.032,7Gy/s。

细颗粒组分刻蚀后的纯度实验结果显示(图4a)，本批样品的红外光释光信号(IRSL)基本与仪器本底值接近;其红外后蓝光释光信号与蓝光光释光信号无明显差别，红外逐出比在0.9～1.1之间(Duller，2003);蓝光释光信号在前5s基本衰减至本底;具有典型的石英热释光110℃和325℃峰(Aitken，1998)，表明提纯的细颗粒石英能满足释光测年的要求。

对该批样品进行了人工辐照剂量后，未经过蓝光激发和经过蓝光激发热释光信号的对比测试(图4b)。给样品辐照一定剂量后直接测试热释光信号，结果显示其热释光信号以325℃峰为主。而样品在辐照一定剂量后再用蓝光激发300s，其325℃峰已被消除，只剩下375℃峰。说明该批样品的光释光信号主要来自于石英325℃峰，为极易晒退的石英快速组分。

图2 阶地剖面岩性分层及释光采样位置和年龄Fig.2 Stratigraphy and OSL sample position and age in the section.

对样品P05-071(05-277)经氟硅酸刻蚀后的细颗粒(4～11μm)石英组分，采用单片再生法(Murray et al.，2000)进行了预热坪实验。实验结果表明，该样品的等效剂量在180～260℃温度区间内与预热温度关系不大，为一坪区(图5)，因而测量过程中可采用该温度范围内的任意一个预热温度。采用260℃预热温度，对该样品用简单多片再生法(王旭龙等，2005;Lu et al.，2007)进行了3组剂量恢复实验，恢复比率分别为0.97、1.01和1.02，说明采用的预热温度和实验流程是合适的(Wintle et al.，2006)。

图3 光释光样品在剖面中的位置Fig.3 OSL sample position and age in the section.

图4 细颗粒石英光释光及热释光信号特征Fig.4 Glow curves of thermoluminescence and luminescence of fine grain quartz.

该批样品的石英组分均采用简单多片再生法进行了蓝光释光的等效剂量测量。样品P05-070(05-565)的光释光信号衰减曲线和生长曲线见图6。回授信号强度低于3%。

同批处理好的细颗粒石英组分在丹麦Risoe释光实验室Risoe TL/OSL-AD-20型释光测量系统上采用相同的实验流程也进行了等效剂量测量。2个实验室等效剂量测试结果见表1。

用Daybreak 583型厚源α计数仪对样品进行了U，Th测定，钾含量用火焰光度计分析方法测定。根据文献(Aitken，1998)提出的石英矿物吸收环境剂量率与环境中铀和钍含量(以α计数率表示)、钾含量等之间的转换关系，并考虑了样品含水量及宇宙射线对环境剂量率的贡献(Prescott et al.，1994)，计算出各样品所吸收的环境剂量率(表1)。需要指出的是，本批样品均处于现今水位之上，为干样，但其在沉积时均处于水位以下即饱水状态。用实验方法估算了每个样品的饱和含水量(以此作为该样品沉积时的含水量)。采用Fleming等(1973)提出的校正方法，分别计算了样品饱和含水和现今实测含水量下的环境剂量率，由此获得了每个样品的上、下限年龄，取其平均值(误差计算考虑了各种不确定性)，此即样品所在层位的沉积年龄(表1)。

图5 样品P05-071(05-277)用SAR法获得的等效剂量与预热温度的关系Fig.5 Plots of D e as a function of preheat temperature for sample P05-071.

图6 光释光信号衰减曲线和生长曲线Fig.6 OSL decay(a)and growth(b)curves obtained by the SMAR protocal.

2 测年结果

在本阶地堆积剖面上采集了5个样品(图2)，虽然该批样品以黏土质粉砂、粉细砂为主，但室内分析结果显示其中粗颗粒(＞90μm)样品的光释光信号较弱或无信号，没有获得等效剂量值，仅测得4个细颗粒石英光释光测年结果。

本批样品细颗粒石英的稳定热释光信号以325℃峰为主，其光释光信号主要来自于325℃峰，为极易晒退的快速组分。预热坪试验、剂量恢复试验结果均表明本实验采用的等效剂量测量条件和流程是合适的，能有效地校正测量过程中的释光信号感量变化。

该批样品在2个实验室用不同的测量仪器进行了等效剂量对比实验，同一样品在2个实验室测定的等效剂量值在2个标准偏差之内一致。这4个样品光释光年龄值与地层层序相一致，未出现明显的颠倒。这些结果显示，该批样品的光释光年龄是可靠的。

3 河流下切速率的讨论

释光测年结果显示该套厚10.3m的河流沉积物形成于4.3～7.3ka BP期间，其沉积速率极不均匀。根据Google Earth卫星影像，采样点海拔(2500±5)m，现代河床海拔(2485±5)m。剖面顶部阶地面距现代河床高度为(27±5)m。如果以剖面顶部样品P05-073(4.3ka BP)作为河流开始下切的时间，则下切速率为(6.3±1.2)mm/a。

东流的塔什库尔干-叶尔羌河深切帕米尔高原东部，在进入塔里木盆地之前形成了深2～3km、长120km的高山峡谷。尽管流域面积较小且水动力有限，塔什库尔干河中上游在流穿近SN走向的慕士塔格片麻岩穹窿时呈直线状展布，应该是一先成河流，即该河在区域隆升之前就已经存在。否则，很难想象该河是通过切穿4～5km高峰朔源侵蚀了120km而成。

沿塔什库尔干河的黑云母40Ar/39Ar热年代学研究表明(Robinson et al.，2007;Sobel et al.，2011)，被公格尔正断层和库科正断层作为东、西边界断层围限的慕士塔格山复背斜在6～8Ma BP开始发生剥蚀隆升，冷却年龄中部小、东西两端大的分布特征反映了慕士塔格山复背斜自8Ma BP以来的穹窿状隆升作用。塔什库尔干河近直线状横穿库科断层，采自该断层带内以及上(断层下盘)、下游(断层上盘)样品的锆石(U-Th-Sm)/He年龄均约为6Ma，表明该断层自距今约6Ma以来已不活动，此段塔什库尔干河的形成时间应该早于约6Ma BP(见Sobel et al.，2011 一文中图 2，3)。

该阶地剖面以西约12.7km处样品P05T54和以东约2.5km处样品P05T51的黑云母40Ar/39Ar年龄及锆石(U-Th-Sm)/He年龄见表2。该地年平均地面温度为7℃。据Reiners等(2006)的研究，黑云母40Ar/39Ar封闭温度为(360±20)℃，锆石(U-Th-Sm)/He封闭温度为(190±10)℃。冯昌格等(2009)利用塔里木盆地钻井地层测试温度资料和岩石热导率数据计算获得塔西南叶城坳陷的平均地温梯度为18.5℃，若以此作为研究区的地温梯度，可计算获得两样品所在地的剥蚀速率(表2)。由表2可见，在距今8.3～6.1Ma期间的剥蚀速率为约4.2 mm/a，此后剥蚀速率减小。但总体而言剥蚀速率西大东小，这可能与两样品所处的构造位置有关，西侧样品P05T54位于慕士塔格山穹窿的核部，而东侧样品位于该穹窿的尾端。由于这2个样品均采自河床附近，此剥蚀速率应该代表了河流下切速率。由阶地释光年龄所计算的全新世河流下切速率大于由构造热年代学数据所反映的长期平均剥蚀速率，这是否意味着该区第四纪或晚第四纪剥蚀速率的加速?显然这一推论尚需未来更多的数据和研究去论证。

塔什库尔干河的水动力远小于下游阿尔塔什附近的干流叶尔羌河，但库科正断层以西的长期平均剥蚀速率要远大于叶尔羌河中下游库斯拉甫和阿尔塔什附近的剥蚀速率(0.16～0.35mm/a，Sobel et al.，2011)，其原因何在?塔什库尔干河中上游冰川作用强烈(邢丁家，2007)，叶尔羌河中下游几乎未见冰川作用痕迹，第四纪冰期是否加剧了慕士塔格山穹窿的侵蚀下切从而导致了慕士塔格山穹窿的快速隆升和公格尔正断层的强烈活动(Robinson et al.，2007;李文巧等，2011)?回答这些问题，还需要对塔什库尔干-叶尔羌河沿岸不同时代河流阶地等地貌面开展更为细致的研究。

致谢 感谢谷元珠高工在测钾实验中给予的帮助，感谢Andrew Murray在Risoe实验室提供的方便。

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OPTICAL DATING OF THE HOLOCENE TERRACE SEDIMENTS AND THE INCISION RATE IN THE UPPER REACH OF THE YARKANT RIVER IN XINJIANG

LIU Jin-feng CHEN Jie WANG Chang-sheng
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The Tashkurgan-Yarkant River，which is the upper reach of the Tarim River，originates from the Karakoram Mountains in the west syntaxis of the Tibetan Plateau.Thick terrace sediments are widespread along the Tashkurgan-Yarkant River.These deposits contain geologic fingerprints thatallow identification of the environmental changes and geologic hazards.However，few geochronological data was available on these sedimentations to allow us to build an irreproachable agemodel.4 samples of fine grains from one terrace profile were dated by optically stimulated luminescence(OSL)dating method.

In darkroom，fractions of fine grains(4 ～11μm)were extracted from the bulk samples.OSL signal measurementswere performed on an automated Daybreak system.Identical Deplateau in the thermal treatwas observed in preheat plateau test.Tests of luminescence characteristics confirm the suitability of thematerial for OSL dating.Our results indicate the deposition age for these sediments is between 4.3 ～ 7.3ka.After the river terrace deposited，the river has deeply incised for 27 ± 5m，with the incision rate 6.3 ±1.2mm/a.

The thermochronologic data show that the magnitude of exhumation decreases from upstream(west)to downstream(east)along the Tashkurgan-Yarkand River.These data may reflect the the active uplift process of Mustagh Ata antiform.

River terrace，OSL dating，Tashkurgan-Yarkant River，River incision rate

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0421-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.015

2011-04-26收稿，2011-05-31改回。

地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2010A04)、科技部国际科技合作计划项目(2008DFA20860)和地震行业科研专项(200808015)共同资助。

刘进峰，男，1977年生，2005年在中国科学院地质与地球物理研究所获博士学位，副研究员，主要研究方向为新构造与释光年代学，电话:010-62009038，E-mail:liujf 81@ies.ac.cn。