祁连山新生代古海拔变化的碳氧同位素记录

戚帮申, 胡道功*, 杨肖肖, 张绪教, 赵希涛

1)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;　2)中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 3)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

祁连山新生代古海拔变化的碳氧同位素记录

戚帮申1), 胡道功1)*, 杨肖肖2), 张绪教3), 赵希涛2)

1)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;2)中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029; 3)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083

祁连山构成青藏高原的北东边界, 是研究青藏高原的隆升与向内陆扩展的关键区域, 利用新生代湖相沉积的碳氧同位素组成估算祁连山古海拔对认识青藏高原的隆升有重要意义。在中祁连陆块不同地点出露的始新统、渐新统、中新统和中晚更新统分别取样并进行碳氧同位素分析, 估算相应地质时期的古年均温和古海拔高度。结果表明, 祁连山地区古近纪的海拔约为2711 m, 中新世早期的海拔为2848 m左右,中新世中晚期祁连山海拔达到约3586 m, 中晚更新世祁连山的古海拔约为3790～3890 m。古近纪祁连山的海拔较低, 但已经构成了青藏高原的东北边界; 中新世中晚期祁连山强烈隆升, 形成了盆-山构造地貌格局;第四纪祁连山地壳重新活跃并呈阶段性快速隆升, 河流堆积和侵蚀交替进行。根据碳氧同位素估算的祁连山古海拔高度变化为认识青藏高原隆升的过程提供参考。

碳氧同位素; 古海拔; 新生代; 祁连山

青藏高原隆升与扩展过程一直是研究的热点与争论的焦点之一(Tapponnier et al., 2001; Meyer et al., 1998; Yin et al., 2000), 祁连山构成青藏高原的北东边界, 其新生代构造地貌演化特征对认识高原隆升过程有重要的学术价值。祁连山处于青海省和甘肃省之间, 北接河西走廊, 南临柴达木盆地, 西至阿尔金山, 东到六盘山, 海拔4000～6000 m, 很多山峰海拔超过5000 m, 最高峰为团结峰, 海拔5826.8 m。祁连山地区构造带由白垩纪以来的再生造山带及相伴生的压陷性盆地组成(孙红波等, 2009), 大地构造单元包括北祁连新元古代—早古生代缝合带、中祁连陆块、疏勒南山—拉脊山早古生代缝合带和南祁连陆块。新生代以来伴随着祁连山西缘阿尔金断裂的活动及青藏高原东北缘的地壳缩短变形, 祁连山地区受一系列NNW和NWW向的逆冲断裂影响隆起, 形成盆山相间的挤压盆岭构造地貌格局(图1A)。祁连山新生代地层包括火烧沟组(E2-3h)、白杨河组(E3b)、疏勒河组(N1s)及第四系。火烧沟组由湖相沉积组成的, ESR年龄为40.2～35.3 Ma, 与上覆沉积时代为32.6—24.3 Ma的渐新世河湖相沉积组成的白杨河组呈角度不整合接触(戚帮申等, 2013), 表明祁连山地区在晚始新世—早渐新世存在一次地壳缩短增厚与隆升过程。疏勒河组以黄色调的砂岩和泥岩为主, 底部多为灰白色砾质砂岩, 上部为灰黄色砾岩、砂岩夹棕红色砂岩和黄色砂质泥岩, 以辫状河与半深湖相沉积, 沉积时代为23—4.9 Ma(宋春晖, 2006)。地层沉积特征和磷灰石裂变径迹研究表明中新世(8 Ma左右)是青藏高原北部新生代重要的隆升阶段(Zheng et al., 2006; An et al., 1999; 陈正乐等, 2002; 宋友桂等, 2001;万景林等, 2001, 2010; 王瑜等, 2002; 张培震等, 2006)。上新世以来, 祁连山地区再次隆升, 河流继续下切到接近现代谷底位置, 地貌和现代水系格局基本定型, 早更新世晚期—中更新世早期, 祁连山地区的构造隆升和全球性降温耦合进入“冰冻圈”,冰川广泛发育, 盆地堆积一定厚度的冰碛或冰水堆积物(苏建平等, 2005)。

碳氧同位素是研究古气候的重要指标, 可以高精度地反映气候变化过程(Palik et al., 2006; Zachos et al., 2001; 陈诗越等, 2004; 吴珍汉等, 2009; Xue et al., 1998), 同时碳氧同位素也是研究古海拔的有效指标(Blisnuik et al., 2005; Chamberlain et al., 2000; Garzione et al., 2000; Horton et al., 2004; Hough et al., 2011; Quade et al., 2007; Rowley et al., 2001; 吴珍汉等, 2007; 丁林等, 2009), 主要是由于降水中的稳定同位素随高程产生的分馏作用, 使得水汽沿山坡上升时, 重同位素优先进入液相, 轻同位素留在水汽中, 从而形成稳定同位素和海拔之间的特定关系(王成善等, 2009; 丁林等, 2009)。由于沉积碳酸盐能很好地保持古地表水的成分(王成善等, 2009), 因此富含碳酸盐湖相沉积的碳氧同位素成为青藏高原隆升的重要地质记录(Xue et al., 1998; 吴珍汉等, 2007)。

前人通过古土壤和湖相沉积物的碳氧同位素组成估算出西藏中部地区在渐新世晚期隆升至海拔4000 m以上(DeCells et al., 2007), 与区域地质研究有很好的对应关系(王成善等, 2009; Liu et al., 2001;刘志飞等, 2001)。丁林等(2009)根据现代河水氧同位素组成特征, 建立了分别应用于藏北和藏南地区的氧同位素古海拔预测模型, 并认为在古近纪可可西里地区已经达到现在的高度。吴珍汉等(2007)利用青藏高原不同地区第四纪湖相沉积碳氧同位素组成, 结合海拔高度和年均温资料, 通过大量的基础数据的支持, 建立青藏高原北部和南部不同的碳氧同位素海拔高度计, 为恢复高原不同地区的古海拔高度的研究提供了很好的思路。

目前, 碳氧同位素估算古海拔的研究还主要集中于青藏高原的北部、东北边缘、中部和南部(DeCells et al., 2007; Garzione et al., 2000; Hough et al., 2011; 丁林等, 2009; 吴珍汉等, 2007), 而对于处于高原东北部的祁连山地区研究程度不高。本文通过对中祁连陆块新生代地层进行碳氧同位素组成测试, 结合前人根据碳氧同位素恢复古海拔的模型,估算祁连山地区新生代不同阶段的古海拔, 进而探讨祁连山地区隆升的过程。

1　样品采集和测试分析

碳氧同位素样品主要集中于中祁连陆块(图1B),共采集40个样品, 分别采自始新统(火烧沟组)、渐新统(白杨河组)、中新统(疏勒河组)和中晚更新统(Qp2-3), 采样剖面图及层位见图2、图3和图4。

陇莫日古近系剖面位于木里镇北侧, 剖面起点位置为38°11′56″N, 99°07′09″E, 剖面中火烧沟组(E2-3h)是紫红色、橙红色、灰绿色和灰白色等杂色的粉砂质泥岩、粉砂岩和细砂岩互层, 局部夹薄层砾岩, 沉积特征是细碎屑砂泥质岩, 为陆相湖盆和山间凹地型沉积, 沉积时代为40.2—35.3 Ma(戚帮申等, 2013); 白杨河组(E3b)以棕红、紫红、棕褐色砾岩、含砾砂岩和中细粒砂岩为主, 一般为碎屑支撑结构, 局部夹有细砂岩和泥岩, 为典型的河湖相沉积, 沉积时代为32.6～24.3 Ma(戚帮申等, 2013),火烧沟组和白杨河组之间为角度不整合接触。分别在陇莫日剖面火烧沟组的层2、4、6、7、8、9和白杨河组的层16、19、25、26、29、30、31、32、34、42采集样品16个(图2)。

图1　研究区位置及地质构造简图Fig. 1　Location and simplified geological map of the study areaA-研究区地形地貌特征; B-研究区地质构造简图及剖面位置;A-Landform characteristics of the study area; B-Simplified geological map of the study area and location of geological section

疏勒河组(N1s)下部为灰白色厚层砂岩、泥岩夹泥灰岩, 底部为灰白色砾质砂岩, 中部为棕红色砂质泥岩、砂岩和黄色、灰色砾岩互层, 上部为灰黄色砾岩、砂岩夹棕红色砂岩和黄色砂质泥岩(Zhang et al., 2010; 宋春晖, 2006)。中新统剖面位于苏里乡东, 剖面起点位置为38°38′07″N, 98°06′15″E, ESR测年结果表明其沉积时代为(22.7±2.0)～(13.2±1.0) Ma, 对应疏勒河组的中下部地层, 岩性以灰黄色细砂岩和泥岩为主, 局部夹黑色煤线, 在剖面层1、2、3、5、6、7、9、10、11、13中共采集13个样品(图3)。

柯柯里乡西中晚更新统剖面位于柯柯里乡西侧T1河流阶地, 剖面起点位置为38°23′19″N, 99°15′05″E, 岩性以灰色中细粒砂砾石夹薄层黏土和细砂层为主, 沉积时代为(157±15)—(73±5) Ka(戚帮申, 2014), 在剖面的层1、3、5、6中共采集样品11个(图4)。

碳氧同位素样品测试由中国林业科学研究院稳定同位素比率质谱实验室完成, 实验过程: 样品在恒温密闭的容器中加入弱酸生成二氧化碳, 采用DELTA V ADVANTAGE同位素比率质谱仪分别检测二氧化碳的13C和12C比率及18O与16O比率, 并与国际标准物(Pee Dee Belnite或PDB)对比后计算出样品的δ13C及δ18O值, 测试精度δ13C: ±＜0.2‰; δ18O: ±＜0.2‰, 测试结果见表1、表2。

2　根据碳氧同位素估算古海拔高度

碳氧同位素是研究青藏高原隆升的有效指标之一, 对古海拔有重要的指示意义(Xue et al., 1998;吴珍汉等, 2007)。吴珍汉等(2007)基于大量不同的基础数据得出的碳氧同位素古海拔高度计, 具体的公式如下:

根据不同沉积时代的湖相沉积碳同位素测试结果(表1), 利用公式(1)和(2)分别计算各时期的古年均温(T或t); 根据氧同位素测试结果(表1), 利用公式(3)和(4)计算古年均温(T或t)。把古年均温(T或t)带入公式(5), 估算祁连山不同时期的古海拔高度(H或E), 结果见表1、表2。

图2　木里镇北陇莫日古近系剖面及采样位置Fig. 2　Geological section of Paleogene strata in the north of Muli Town, showing sampling locations

图3　苏里乡东中新统剖面及采样位置Fig. 3　Geological section of Miocene strata in the east of Suli Township, showing sampling locations

图4　柯柯里乡西中晚更新统剖面及采样位置Fig. 4　Geological section of middle-late Pleistocene strata in the west of Kekeli Township, showing sampling locations

依据不同的经验公式, 大多数样品碳氧同位素估算出的T与t基本相同, 因此采用古年均温t统一计算祁连山不同地质时期的古海拔E。前人研究发现碳同位素与海拔相关系数可达0.9067, 远远大于氧同位素与海拔的相关系数(吴珍汉等, 2007), 本文均采用碳同位素估算古年均温与古海拔比较合理,根据氧同位素估算的古年温与古海拔高度(表2)仅供对比参考使用。

3　讨论

根据祁连山地区新生代地层碳氧同位素组成估算的古海拔高度, 良好地揭示祁连山隆升过程,为分析青藏高原东北缘的隆升过程提供参考依据。结果表明, 祁连山地区中新世中期以前海拔较低,中新世中期以来海拔较高(图5)。综合前人的研究成果, 祁连山构造地貌演化过程可分为3个主要阶段:①古近纪低海拔阶段; ②中新世中晚期强烈隆升阶段; ③上新世以来阶段性快速隆升阶段。

3.1祁连山古近纪低海拔阶段

根据火烧沟组(E2-3h)与白杨河组(E3b)的湖相沉积的碳同位素组成估算的祁连山古近纪海拔为2180～3502 m, 平均海拔约为2711 m(图5), 远远低于现今采样位置海拔4183 m。由于始新世样品数量较少, 估算的古海拔波动较大, 并且样品B1065-16和B1065-14估算的海拔出现异常高度, 从而导致估算的高度存在很大的误差, 但仍能反映出祁连山地区古近纪整体处于低海拔状态, 并已经具有一定的高度, 构成青藏高原的东北边界。

表1　根据碳同位素估算祁连山古海拔高度Table 1　Paleoelevation of the Qilian Mountain inferred from carbon isotope

王成善等(2004)系统地对可可西里盆地、柴达木盆地和酒泉盆地进行研究, 发现高原北部前陆盆地的发育时序为: 可可西里前陆盆地(53—23 Ma)、柴达木前陆盆地(46—2.45 Ma)和酒泉前陆盆地(29.5—0.13 Ma), 青藏高原新生代具有向北阶段性生长的特点(王成善等, 2009)。受印度板块与欧亚板块于65～60 Ma初始碰撞以来(Beck et al., 1995; Lee et al., 1995; Patzelt et al., 1996), 印度板块向北俯冲和挤压作用影响, 可可西里地区在35—30 Ma期间发生了快速隆升作用(Liu et al., 2001; 刘志飞等, 2001), 河西走廊盆地和中祁连木里盆地晚始新世—早渐新世(距今约35.3～32.6 Ma)出现沉积间断,盆地内白杨河组和火烧沟组均呈角度不整合接触(戴霜等, 2005; 戚帮申等, 2013), 阿尔金北缘山脉磷灰石裂变径迹研究同样发现在48—28 Ma山体快速隆升(孙岳等, 2014), 显然青藏高原北部在始新世晚期—渐新世早期存在普遍的构造变形与隆升(戴霜等, 2005)。结合碳氧同位素估算的古海拔, 以及火烧沟组和白杨河组均为河湖相的沉积特征, 表明本次隆升的幅度不大。

表2　根据氧同位素估算祁连山古海拔高度Table 2　Paleoelevation of the Qilian Mountain inferred from oxygen isotope

3.2祁连山中新世中晚期强烈隆升阶段

根据中新世湖相沉积碳氧同位素估算中新世早期(22.7—18.2 Ma)的平均海拔为约2848 m, 仅高于古近纪约137 m, 中新世中期(18.2—13.2 Ma)平均海拔为约3586 m, 明显高于古近纪和中新世早期估算的古海拔(图5)。

青藏高原在渐新世晚期构造稳定, 长期处于夷平剥蚀状态, 不同地区古海拔高度差别大幅缩小(吴珍汉等, 2006, 2007; Wang et al., 2002)。中新世早期(23—18 Ma)青藏高原北部发生构造隆升与剥蚀(Jolivet et al., 2001), 并导致贵德盆地贵德门组与下伏的西宁群之间的角度不整合接触(方小敏等, 2007), 但是整体海拔不高(Wang et al., 2011)。中祁连陆块苏里乡东疏勒河组剖面碳同位素估算中新世早期的古海拔高于古近纪海拔高度约137 m, 反映中新世早期祁连山存在一次构造变形与隆升, 并且本次构造变形与隆升幅度不大, 山间盆地周缘的山地地势低, 盆山高差较小, 盆地沉积以辫状河与半深湖相沉积为主的疏勒河组, 特别是疏勒河组下部弓形山段是岩性以灰白色厚层砂岩、泥岩和泥灰岩为主的湖相沉积为主(宋春晖, 2006)。

图5　祁连山新生代古海拔变化过程Fig. 5　Variation of paleoelevation of the Qilian Mountain in Cenozoic

由于野外未发现沉积于中新世晚期的地层, 无法估算此阶段祁连山的古海拔, 前人的研究发现祁连山及邻区于中新世中晚期存在“准同期”(～8 Ma)的构造变形与隆升, 通过逆冲断裂和褶皱变形等方式, 使山脉隆升与沉积盆地消亡(张培震等, 2006),疏勒河组上部牛胳套段出现砾岩便是祁连山中新世中晚期强烈隆升的产物(宋春晖, 2006)。裂变径迹研究表明在9～7 Ma青藏高原北部发生快速蚀顶过程(Zheng et al., 2006; 王瑜等, 2002; 万景林等, 2001;陈正乐等, 2002), 同时期红黏土在六盘山地区沉积,这主要受高原腹地达到一定临界值的影响, 引起高原东北部的气候和环境方面的变化(An et al., 1999;宋友桂等, 2001)。中祁连北缘断裂在木里盆地东库煤矿附近, 侏罗纪煤系地层逆冲于白杨河组(E3b)之上, 断层带内发育石英脉, ESR测年结果显示中祁连北缘断裂主要活动于11.0～5.4 Ma(戚帮申, 2014)。

因此, 中新世早期祁连山的构造活动强度不高,古海拔高度较低, 而中新世中晚期, 祁连山地区中新统普遍发生褶皱变形, 主要的边界断裂强烈活动,导致祁连山在中新世强烈隆起, 盆山高差增大, 形成和现代地貌相近的盆-山相间的构造地貌格局(王国灿等, 2010), 和根据碳氧同位素估算的海拔高度变化有着很好对应关系。

3.3祁连山上新世以来阶段性快速隆升阶段

中晚更新世湖相沉积碳氧同位素估算的平均古海拔约为3490 m, 比现今采样位置海拔3617 m低约120 m, 表明晚更新世以来祁连山的隆升幅度较小。柯柯里剖面位于中祁连陆块的山间盆地中,盆山高差较大, 不同于青藏高原南部第四纪古海拔高度变化不大(吴珍汉等, 2007), 上新世以来祁连山地区具有一定的隆升幅度, 因此中晚更新世的古海拔高度的估算必须考虑采样位置因素。

中祁连陆块木里盆地大通河上游的河流阶地研究发现大通河上游可见两级河流阶地, T1与T2台地上部沉积物ESR测年结果表明, 其沉积时代分别是中晚更新世(210—42 ka)和上新世晚期(3.4—3.0 Ma)(戚帮申, 2014), T1与T2阶地海拔高差约为300 m, 表明上新世晚期到晚更新世祁连山的隆升幅度达约300 m。如果考虑到目前祁连山古剥蚀面海拔约4000 m(万景林等, 2010), 远远高于柯柯里中晚更新统的海拔高度(3617 m), 二者相差约400 m。柯柯里中晚更新统的碳氧同位素采样位置为中晚更新世T1阶地上, 考虑到上新世—中晚更新世祁连山隆升300～400 m, 因此中晚更新世祁连山的平均古海拔高度应达到3790～3890 m, 接近现代平均海拔高度。

祁连山地区上新世地层出露较少, 野外调查发现上新统和早更新统岩性以厚层的砾岩为主, 由于未找到合适的碳氧同位素测试样品, 因此无法估算上新世—早更新世祁连山的古海拔, 但是从沉积特征来看, 祁连山地区在上新世—早更新世存在构造变形与隆升, 对应青藏高原3.4 Ma强烈的隆升阶段(Li et al., 1996)。其后, 祁连山地区在第四纪呈阶段性快速隆升, 从而导致河流堆积与切割交替进行并形成多级阶地(Li et al., 1996)。本期构造活动使青藏高原东北部上新统与早更新统, 早更新统与中晚更新统出现轻微的角度不整合, 断陷盆地湖泊面积缩小(袁道阳, 2003), 青藏高原东北部的沉积盆地(共和盆地、贵德盆地、兰州盆地和酒泉盆地)普遍发育山前磨拉石沉积(李吉均等, 1998; 宋春晖, 2006)。

4　结论

根据祁连山新生代湖相沉积的碳氧同位素组成估算的古海拔高度可以看出, 祁连山在古近纪时期海拔高度较低, 海拔约为2711 m, 始新世晚期—渐新世早期, 祁连山地区发生区域构造变形与隆升,但隆升的幅度不大; 渐新世晚期, 祁连山构造活动趋于稳定, 盆山地形高差不大, 地形起伏较小; 中新世早期祁连山存在构造变形与隆升, 本次隆升的幅度较小, 整体还处在低海拔阶段, 海拔约为2848 m; 中新世中晚期是祁连山地区重要的隆升阶段, 逆冲断裂活动与褶皱变形强烈, 盆山高差较大,形成了和现今地貌相近的盆-山构造地貌格局, 中新世中期的古海拔达到约3586 m; 上新世以来, 祁连山地区地壳重新活跃, 阶段性隆升导致河流堆积和侵蚀交替进行, 中晚更新世的古海拔为3790～3890 m左右, 晚更新世以来祁连山隆升幅度较小。

根据碳同位素和氧同位素对同一样品分别计算出的古海拔存在一定程度的差别, 这主要受古海拔高度计参数(海拔高度、年均温和碳氧同位素)多次统计和反复换算的过程影响, 加上碳氧同位素与古海拔之间相关系数大小以及气候变化的影响, 从而导致估算的古海拔不可避免地存在误差。祁连山地区新生代湖相沉积中氧同位素组成比较不稳定,具体原因还需要更多资料进行验证。

致谢: 中国地质科学院地质力学研究所张耀玲博士和中国地质科学院赵珍博士, 中国地质大学(北京）李波硕士、赵钊硕士、高雪咪硕士、于航硕士、田珺硕士, 长江大学徐久晟硕士、和李丹江硕士帮助完成野外调查与取样, 谨表谢意。

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Paleoelevation of the Qilian Mountain Inferred from Carbon and Oxygen Isotopes of Cenozoic Strata

QI Bang-shen1), HU Dao-gong1)*, YANG Xiao-xiao2), ZHANG Xu-jiao3), ZHAO Xi-tao2)
1) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 2) Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029; 3) School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083

Located at the northeast edge of the Tibetan Plateau, the Qilian Mountain is a key region where the whole Plateau expands to the interior of the continent, and hence the paleoelevation estimated by paleo-altimetry based on carbon and oxygen isotopes of Cenozoic strata is of great significance for understanding the uplift of the Tibetan Plateau. In this paper, such a paleo-altimetry was used to calculate the paleo-annual temperature and paleo-elevation of middle Qilian Mountain based on carbon and oxygen isotopes of Cenozoic sediments formed in the Eocene, Oligocene, Miocene and Mid-late Pleistocene. The results show that the Qilian Mountain was uplifted to 2711 m in Paleogene, to ～2848 m in the early Miocene, to ～3586 m in the mid-late Miocene, and to 3790～3890 m in the Middle-late Pleistocene. The paleo-elevation of the Qilian Mountain in Paleogene was not very high, but had already formed the northeastern margin of the Tibetan Plateau. The Qilian Mountain was uplifted considerably in Mid-late Miocene, forming basins-mountains tectonic landforms. In Quaternary the earth crust of the Qilian Mountain was activated again and uplifted intermittently. The paleoelevation of the Qilian Mountain inferred from carbon and oxygen isotopes of Cenozoic strata provides a reference for better understanding of the uplifting process of the Tibetan Plateau.

carbon and oxygen isotopes; paleoelevation; Cenozoic; Qilian Mountain

P597.2; P534.6

A

10.3975/cagsb.2015.03.07

本文由中国地质调查局天然气水合物资源勘查与试采工程国家专项“祁连山冻土区天然气水合物资源勘查(力学所)”(编号: GZHL20120301)资助。

2014-10-20; 改回日期: 2014-12-25。责任编辑: 魏乐军。

戚帮申, 男, 1988年生。博士研究生。主要从事区域地壳稳定性评价、工程地质和地质灾害研究。通讯地址: 100081, 北京市海淀区民族大学南路11号。E-mail: qibangshen@126.com。

∗ 胡道功, 男, 1963年生。研究员。主要从事新构造与活动构造研究。E-mail: hudg@263.net。