青藏高原是现今世界上规模最大的造山高原,其形成演化历史一直备受诸多地质学家的关注。羌塘地体,作为青藏高原中部的重要组成部分,拥有巨厚的大陆地壳(>50km)和高海拔(4~5 km)、低起伏(高差<1km)的独特地貌特征(图1)。羌塘地体巨厚地壳是何时何种方式形成的?其高海拔、低起伏的地貌特征又是如何形成并保持的?地壳增厚过程往往伴随着海拔变化,羌塘地体的地壳厚度变化是否与其历史海拔高度变化相耦合?这些科学问题是揭示青藏高原构造(地貌)演化的关键。
针对上述重要的基础科学问题,研究团队通过开展长期野外地质填图和构造剖面测制,结合平衡剖面恢复和系统的锆石年代学、低温热年代学等研究手段,获得了羌塘地体中南部的地壳增厚和地形地貌演化过程,并进一步结合多类型地质证据,尝试建立地壳厚度变化与古海拔高度演变之间的耦合关系。初步研究结论如下:
图1羌塘地体的构造位置图。虚线框为主要研究区的范围,不同颜色圆点为目前发表的低温热年代学数据分布图(Zhao et al., 2022)。
结论一:羌塘地体的主要地壳缩短结束于~40Ma,并伴随着低起伏地貌的形成。研究结果显示南羌塘地体的地壳增厚过程始于~150 Ma,结束于~40 Ma,基于逆冲褶皱的剖面恢复,得出其地壳缩短/增厚量>34%。班公-怒江洋的闭合及随后的拉萨-羌塘地体之间的陆陆碰撞,以及印度亚洲碰撞导致的拉萨-羌塘地体的持续汇聚挤压是羌塘地体地壳增厚的主因。综合区域低温热年代学数据发现,遍布羌塘地体及其周缘最年轻的AHe年龄集中于~35 Ma,因此我们认为羌塘地体的低起伏地貌形成应早于~35 Ma。
结论二:羌塘地体经历了两阶段快速的隆升。尽管羌塘地体的地壳厚度在~40 Ma就已加厚到现今厚度,但是定量的古海拔研究认为羌塘地体及周缘在~29-26 Ma 才达到现今的高度,与此同时,羌塘地体发生了~37-26 Ma的岩石圈地幔拆沉事件。通过一维地壳均衡模拟,我们认为羌塘地体的地壳增厚控制其早期的隆升过程,岩石圈地幔的拆沉导致其再次发生>2 km的快速隆升。此外,岩石圈地幔的拆沉及软流圈的上涌使得羌塘地壳发生热膨胀,热膨胀效应可以导致羌塘地体发生~0.4 km的海拔升高。
综上所述,羌塘地体在新生代经历了两阶段快速隆升过程,第一阶段隆升的主因是早于~40 Ma的地壳增厚导致的地壳均衡,第二阶段为~37-26 Ma石圈地幔拆沉所导致的。羌塘地体低温热年代学记录的快速冷却阶段与区域构造事件,及拉萨地体记录的新特提斯洋俯冲相关的岩浆期相吻合,代表了这些快速的冷却阶段受控于构造活动,也即板块汇聚导致的远程效应(图2)。
图2班公-怒江缝合带两侧的低温热年代学数据指示的快速冷却阶段,及其与区域其它地质事件的对比图。详细的内容见Li et al. , 2022.
本系列研究不仅重建了青藏高原中部羌塘地体中-新生代的构造演化历史,约束了羌塘地体地壳缩短变形的时代和规模,为青藏高原新生代演化研究提供了宝贵数据,同时揭示出青藏高原中部隆升与地壳缩短加厚、岩石圈地幔拆沉及软流圈上涌的内在关联,强调了深部构造过程对浅表隆升的控制作用,对青藏高原构造地貌研究具有重要的启示。
上述研究得到德国图宾根大学Paul D.Bons教授、中国地质大学(北京)王根厚教授等专家学者的指导与帮助。主要资助项目包括第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0901)、南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0201)及中国地质调查局地质调查项目(DD20190059)。相关文章发表如下:
Zhao, Z., Lu, H., Wang, S., Li, H., Li, C., Liu, D., Pan, J., Zheng, Y., and Bai, M., 2022, The Cenozoic Multiple-Stage Uplift of the Qiangtang Terrane, Tibetan Plateau: Frontiers in Earth Science, v. 10.(https://doi.org/10.3389/feart.2022.818079)
Li, C., Zhao, Z., Lu, H., and Li, H., 2022, Late Mesozoic-Cenozoic multistage exhumation of the central Bangong-Nujiang Suture, Central Tibet: Tectonophysics, v. 827, p. 229268.(https://doi.org/10.1016/j.tecto.2022.229268)
Zhao, Z.-b., Li, C., and Ma, X.-x., 2021, How does the elevation changing response to crustal thickening process in the central Tibetan Plateau since 120 Ma?: China Geology, v. 4, no. 1, p. 32-43.(https://doi.org/10.31035/cg2021013)
Li, C., Wang, G. H., Zhao, Z. B., Du, J. X., Ma, X. X., and Zheng, Y. L., 2020, Late Mesozoic tectonic evolution of the central Bangong–Nujiang Suture Zone, central Tibetan Plateau: International Geology Review, v. 62, no. 18, p. 2300-2323.(https://doi.org/10.1080/00206814.2019.1697859)
Zhao, Z. B., Bons, P. D., Li, C., Wang, G. H., Ma, X. X., and Li, G. W., 2020, The Cretaceous crustal shortening and thickening of the South Qiangtang Terrane and implications for proto-Tibetan Plateau formation: Gondwana Research, v. 78, p. 141-155.(https://doi.org/10.1016/j.gr.2019.09.003)