青藏高原地壳隆升的GNSS与GRACE联合研究进展

作为世界屋脊,青藏高原现今的地壳隆升状态是地球科学的一个重要关注点,对其地壳运动的观测与动力机制分析是深入认识该问题的关键.随着卫星大地测量的快速发展,以全球导航卫星系统(GNSS)和重力恢复与气候实验卫星(GRACE)为主的观测技术在青藏高原地球动力学研究中表现出巨大优势和潜力.GNSS给出了精细的三维地壳变形结果,GRACE提供了丰富的时变重力数据,前人已有效结合这两种资料对青藏高原地壳运动与固体物质迁移问题进行了充分研究,较系统地评估了高原地壳隆升现状.因此,本文将综述当前联合GNSS与GRACE数据进行高原地壳隆升研究的科学进展,涉及到高原地壳位移场与时变重力场观测、负荷变形估算与构造变形提取、地壳厚度与Moho面深度变化反演等研究成果,本文还简单讨论分析青藏高原当前地壳隆升的环境背景与动力机制.

风化土壤封存水H、O稳定同位素揭示的青海东部岩溶发育对青藏高原隆升的响应

青海东部岩溶发育受青藏高原隆升和古气候变化的影响。岩石风化成壤过程中的大气降水被封存在风化土壤中,由于黏土渗透性极低,黏土矿物之间毛细力阻止后续大气降水的直接驱替,风化土壤保留了当时大气降水的部分信息。在青海东部岩溶发育地区采集17组风化土壤样品,利用真空-低温水样提取装置提取土壤中的封存水,根据氢氧稳定同位素的温度效应,计算各地质历史时期的温度,构建温度变化曲线,并根据氢氧稳定同位素的降雨量效应,利用δD值定性评估各地质历史时期的降雨量,构建降雨量变化曲线。结果表明:风化土壤封存水的δD和δ^(18)O具有统一的来源,受蒸发作用和氧同位素交换的影响;自元古代到新生代,青海东部地区温度和降雨量波动频繁,冷热干湿交替;元古代和古生代岩溶未发育,中生代时期岩溶发育不充分;新生代是青藏高原快速隆升时期,也是青海东部岩溶发育的主要时期,新生代时期青海东部逐渐变冷,降雨量逐渐增加,新生代各阶段岩溶发育方式不同,由化学溶蚀作用转变为物理风化作用,总体降雨量不大,水动力条件不足,岩溶发育的强度和深度不大,青海东部的岩溶形态多以小型溶洞、涌水岩溶裂隙为主。该研究结果可为青海东部岩溶水资源的演化和利用提供理论依据。

亚洲季风演化、北半球大冰期的发展与喜马拉雅—青藏高原隆升

青藏高原对亚洲季风气候的形成和发展有着重要的影响。通过综合最新的研究成果,本文对高原的阶段性隆升及其气候效应、北半球大冰期形成的可能原因和对亚洲气候的影响进行了初步讨论。并指出,高原的隆升可以划分为3个主要阶段,也就是10—9百万年的有意义隆升,亚洲季风开始形成;3.6—2.6百万年,高原加速隆升,亚洲冬、夏季风同时加强;2.6百万年以来,高原持续隆升,亚洲季风冬夏季风变率加大,冬季风加强。

青藏高原东缘中新生代隆升及构造扩展方式转换

为研究青藏高原向东构造挤压过程中,构造变形扩展方式的变化,文章选取青藏高原东缘为研究对象,开展了磷灰石和锆石裂变径迹测定及分析工作。结果表明,若尔盖盆地和龙门山块体具有诸多低温热年代学及构造隆升差异:若尔盖盆地样品冷却速率较为集中,介于1.257~1.285℃/Myr,而龙门山块体样品冷却速率变化较大,介于1.243~2.875℃/Myr;若尔盖盆地在100 Ma以来共经历了2次明显的构造热事件,第一次为100~80 Ma(冷却速率为4.40±0.395℃/Myr),第二次为21~12 Ma(冷却速率为2.89±0.597℃/Myr),龙门山块体东缘地区在70 Ma以来,总体上表现为构造隆升程度的逐渐增强,且在8 Ma以来构造隆升持续增强,冷却速率达到了5.75±0.238℃/Myr;若尔盖盆地的构造变形属于前展式构造扩展,而龙门山块体则为后展式(自8 Ma以来),文章将该过程总结为“构造变形扩展的反射和折射”现象,“反射部分”在第四纪(4.48 Ma)达到龙日坝断裂附近,形成兼具逆冲与右旋走滑的龙日坝断裂带。

青藏高原面地貌稳定态与高原隆升时间

本文基于地貌垂直地带性理论,提出计算高原隆升时间的地貌演化模型,并利用GPS现代垂直位移速率资料,计算青藏高原高原隆升时间。海拔4000~5000 m的青藏高原高原面为冰缘地貌带,以上为冰川地貌带,以下为流水地貌带。青藏高原面的构造隆升速率难以超过砂板岩等软弱岩层的冻融侵蚀剥夷速率,处于地貌稳定态,高程受冰缘气候控制,与隆升速率无关。花岗岩、石灰岩等坚硬岩层组成的冰川山地,抗寒冻风化能力强,剥蚀和隆升的竞争中,隆升战胜剥蚀,处于地貌不稳定态,山地持续上升。根据珠峰高程、剥蚀岩层厚度,高原面高程和隆升速率,利用模型求得从青藏高原隆升到现今冰缘地貌带高程以来的隆升时间为2.5 Ma~7.8 Ma。

青藏高原东部中新生代差异隆升的热年代学证据

为定量分析青藏高原东北部中新生代以来构造隆升时序及特征,笔者开展了磷灰石和锆石裂变径迹年龄测试。结果表明:研究区磷灰石裂变径迹年龄为[BF](66±9)~(4.3±1)Ma,锆石裂变径迹年龄为(187±11)~(69±4)Ma,东北部及东部裂变径迹年龄值较大;研究区西北缘构造隆升较早(200~160 Ma),东南部隆升相对较晚(140~30 Ma),西(南)部构造隆升最晚(90~10 Ma),新近纪之后则整体进入构造隆升;岩石冷却速率和剥蚀速率广元—江油一带西侧较高,红原—文县一带南侧更高,理县附近最大,分别为23.26℃/Ma和0.78 mm/a,这种分区差异性主要受多条区域性大型断裂带制约。

青藏高原东南缘新生代的三期构造隆升——来自河流纵剖面分析的证据

青藏高原东南缘新生代期间经历了多阶段隆升过程,但其主要隆升阶段、时代及其在地貌上的响应等仍不清晰。本文针对金沙江上游流域(石鼓以上),对青藏高原东南缘新生代期间构造隆升的响应过程及特征进行研究,利用数字高程模型,提取分析了金沙江上游段的河流纵剖面形态、集水区坡度和陡峭指数(ksn)等构造地貌指标,发现金沙江上游存在三个主要裂点,将金沙江干流由NW至SE分为曲麻莱、玉树、沙东和奔子栏四个具有不同河道参数的河段。除曲麻莱段外,各段支流河道也可划分为不同的河段,剖面以及河道参数呈现不同的特征,其中上游河段陡峭指数、河道坡度值均为南部大,北部小;中上游与中下游河段,陡峭指数、河道坡度值南北部差异不大;下游河段,地貌上表现为陡峭指数与河道坡度值北部较大,南部较小。此外,在对裂点的成因进行分析后发现,青藏高原东南缘的构造隆升过程是该区河流地貌特征的主控因素。结合前人的热年代学数据,研究认为,金沙江上游的三个区域性裂点的形成可能指示或响应了青藏高原东南缘在新生代以来发生的三期构造隆升事件,且隆升时间从早到晚分别在20~30 Ma、9~15 Ma、3~6 Ma间,这表明构造地貌分析对于揭示区域构造隆升具有重要意义。

行走青藏高原路 仰望地球第三极

中国的地形分为三大阶梯,青藏高原为第一阶梯,也是地球海拔最高的地区,有着“世界第三极”之美誉。笔者将从古籍中对中国三大阶梯的记载、青藏高原隆升的地质学原理、青海湖风光、人往高处走等方面讨论青藏高原,行走青藏高原,仰望地球第三极。

青藏高原东北缘循化盆地中中新世—早上新世黏土矿物及其古气候意义

青藏高原东北缘古气候可能受控于全球变冷、青藏高原隆升及局地地形变化的影响。为解析气候演化过程及驱动因素,本文以青藏高原东北缘循化盆地西沟剖面作为研究对象,在已有古地磁年龄约束基础上,分析了中中新世—早上新世沉积物中黏土矿物的组成和微观形貌特征。结果表明,西沟剖面沉积物中黏土矿物主要由伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石组成,其中伊利石含量最高,平均为59.3%;蒙脱石次之,平均为18.2%,绿泥石平均含量为12.3%,高岭石平均含量为10.2%。根据剖面中黏土矿物含量和比值的变化特征,结合循化盆地西沟剖面的沉积速率、孢粉记录、有机质碳同位素和沉积岩地球化学比值,并与深海氧同位素值(δ^(18)O)变化曲线对比,将循化盆地14.6~5.0 Ma气候环境演化划分为3个阶段:14.6~12.7 Ma,气候干冷期,与北半球冰盖扩展引发的全球性降温事件有关;12.7~8.0 Ma,气候相对温暖湿润期,可能与循化盆地周围山体隆升有关,即积石山在~12.7 Ma隆升至临界高度,成为西风带输送水汽的地形屏障,使得循化盆地内的降水增强;8.0~5.0 Ma,气候再次转向干冷期,该阶段气候的干旱化对应于青藏高原在8 Ma左右的快速隆升,高原进一步的隆升阻碍东亚季风西风带的暖湿气流向内陆的输送,从而引起区域干旱化。

晚新生代青藏高原的隆升与东亚环境变化

青藏地区在第三纪青藏地区经过二次隆升与夷平的旋回，在２５ＭａＢＰ～１７ＭａＢＰ高原面隆升达到２０００ｍ左右高度，和当时大陆与海洋环境耦合，激发了亚洲季风，替代了先前的行星风系，导致第三纪中期我国环境大变化。此后高原面夷平降低，夏季风减弱，３．４Ｍａ以来高原整体快速隆起，２．５ＭａＢＰ开始中国北部黄土堆积。０．８ＭａＢＰ～０．５ＭａＢＰ高原面上升至３０００ｍ～３５００ｍ左右。与地球轨道转型导致的降温耦合，进入冰冻圈。冰川面积超过５０００００ｋｍ２，我国中东部降水为现代２倍～３倍，西部已很干旱。高原积雪形成强大的冷源，沙漠、黄土面积扩大。１５０ｋａ以来，４处连续记录显示了晚更新世以来青藏地区新构造上升与气候环境变化及其特点。

青藏高原东北部阶段性变形隆升:西宁、贵德盆地高精度磁性地层和盆地演化记录

青藏高原东北部的形成演化是检验高原隆升模型及其驱动季风-干旱环境形成假说的关键。青海贵德和西宁盆地新生代高精度磁性地层和盆地演化揭示出贵德和西宁盆地在早新生代两个盆地曾经为一个统一的、发育于东昆仑山前的弱挤压型陆内挠曲盆地或前陆盆地,可能包括兰州盆地、循化-化隆盆地和祁连山东部一些盆地在内的周边地区都向这个统一的盆地内注入水流和沉积物质,在西宁一带形成汇水中心,并在当时为行星风系的亚热带副高压带作用下形成巨厚的膏盐层。从约21Ma的中新世早期开始,前陆盆地挠曲下沉明显加剧,盆地早期地层被挤压变形,形成盆地中最显著的角度不整合,推测分隔贵德盆地东部的海宴—泽库右旋断裂强烈活动,分隔贵德和西宁盆地的拉脊山东部开始隆升,贵德盆地河流水系由北转向西流,至中中新世,隆升可能席卷整个拉脊山,贵德盆地水系明显南流,盆地挤压中心由早先的昆仑山前转移至拉脊山两侧。从约8Ma开始,拉脊山开始强烈阶段性幕式(3.6、2.6及1.8Ma)变形隆升,导致两侧断层以花状向盆地中心逐步扩展,断裂、掀斜和褶皱地层,盆地转变成山间盆地,并在约1.8Ma的强烈变形隆升后,黄河出现,紧接着形成上千米深切河谷和7级阶地,高原东北部现今构造地貌沉积格局最终形成。上述盆地形成演化过程总体揭示出印度板块碰撞早期最远端的高原东北部就已经开始变形隆升响应,这个过程阶段性由弱至强,至8Ma以来达到最大,反映了高原南北的同步变形隆升但幅度不同的动力学过程与形成模式,可能指示了脆性上地壳块体间柔性变形、块体内刚性挤压破裂变形和塑性下地壳连续变形增厚与流动的共同作用机制。

青藏高原东北部贵德盆地新生代沉积演化与构造隆升

通过对高原东北部贵德盆地新生代地层研究 ,为恢复高原隆升历史提供依据。贵德盆地形成于渐新世末 ,其新生代地层可划分出深水砾砂质网状河流、泥石流质网状河流、砾质网状河流、山麓洪积、三角洲、半深湖与浅湖、水下扇三角洲七个沉积相组合体系。根据其沉积相组合和沉积演化揭示出高原隆升过程先后经历了 :早期隆升期 (渐新世末 )、较稳定剥蚀夷平期 (早中新世 )、小幅隆升期 (早中新世末 )、稳定剥蚀夷平期 (中中新世至晚中新世 )、持续逐步较快速隆升期 (8.2～ 3.6Ma)、急剧强烈阶段性隆升期 (3.6～ 0Ma) ;其中 3.6Ma±的隆升是新生代构造运动的一个重要分水岭 ,此前盆地海拔应不超过 10 0 0m ,此后构造活动速度明显加速 ,地形高差显著增大。可见青藏高原的隆升是一个多阶段。

冈底斯斑岩铜矿与南部青藏高原隆升之关系——来自含矿斑岩中多阶段锆石的证据

文章通过阴极发光研究结合SHRIMPU_Pb法精确定年,发现青藏高原南部冈底斯斑岩铜矿带含矿斑岩中的锆石由残留、变质、岩浆3种类型组成,其年龄分别为(51.1±4.8)Ma、(21.1±2.6)Ma和(14.47±0.5)Ma。LA_ICP_MS分析表明残留锆石的特点是Y(1121×10-6)、HREE(641×10-6)和MREE(182×10-6)含量高,U(207×10-6)、Th(171×10-6)和Hf(0.96%)含量低。与残留锆石和岩浆锆石相比,变质锆石Th/U比值明显降低(0.54)。在3种类型的锆石中都具有明显的负Eu异常和正Ce异常,但岩浆锆石以Ce异常变化大为特征。冈底斯铜矿带含矿斑岩中识别出的这3个锆石阶段与冈底斯碰撞造山带演化中的3个重要构造事件相对应。作为印度与亚洲大陆碰撞拼贴的主缝合带,这种一致性允许我们提出这样一个构造模式:50～60Ma之前印度与亚洲大陆碰撞期间发生地幔镁铁质岩浆底侵,形成了含矿斑岩的源区;约21Ma前,由于软流圈物质上涌,同时造成了底侵镁铁质岩石部分熔融形成含矿岩浆和地壳快速隆升;约15Ma前,伴随着高原南部地壳隆升后的伸展塌陷,含矿岩浆侵位,形成了冈底斯斑岩铜矿带。

柴达木盆地西部地区新生代演化特征与青藏高原隆升

通过对柴达木盆地西部地区(柴西地区)地震剖面构造-沉积相演化的分析,结合基底岩性及区域构造运动历史,重建了柴西地区新生代构造-沉积动态演化框架。柴西地区新生代以来一直处在印欧板块碰撞所引起的青藏高原阶段性隆升的挤压构造背景下,经历了两大构造变形期:第一变形期主要发育在古近纪,变形高峰在下干柴沟组上段,第二变形期发育在新近纪—第四纪,变形强度日益加剧。剖面沉积相的变化体现柴西地区经历了水进—静水沉降—水退的过程,平面沉积相演变是沉积中心受构造运动控制的直接结果;受构造演化控制柴西地区以Ⅺ号(油狮断裂)和油北断裂为分界线,由南至北地表形态表现为3种不同样式:柴西南区断裂发育,柴西中部为英雄岭新生造山带,柴西北区主要发育冲断褶皱。柴西地区构造-沉积演化特征是对青藏高原阶隆升的响应,同时记录了青藏高原向北间歇性蔓延生长的过程。

青藏高原渐新世晚期隆升的地质证据

国内外学者普遍认为,地壳缩短增厚是青藏高原隆升的主要原因,青藏高原隆升对环境变迁和东亚季风具有重要影响,但对青藏高原隆升时代存在不同认识。通过统计分析青藏高原中段新生代不同时期的地层倾角,表明区域褶皱变形主要发生于古近纪,中新世湖相沉积地层产状平缓,挤压构造变形微弱,说明地壳缩短增厚主要发生于中新世前。湖相沉积地层的孢粉分析结果表明,青藏地区热带亚热带阔叶林植被自始新世中期开始逐步减少,至中新世早期濒临消亡;暗针叶林植被自渐新世早中期开始逐步增加,至中新世早中期达到繁盛程度甚至居主导地位。根据这些地质证据,结合全球气候变化、古气温及年代学资料,综合推断青藏高原渐新世晚期隆升高度达到海拔4000m左右。

喜马拉雅造山带晚新生代构造隆升的裂变径迹证据

喜马拉雅造山带的隆升,在地质学研究中是一个非常让人感兴趣的问题,为了对其进行定量研究,揭示隆升历史及幅 度等相关问题,运用磷灰石、锆石裂变径迹法对研究区淡色花岗岩进行了分析,所取样品的裂变径迹年龄位于17.0～5.7Ma 之间,小于其地层时代或侵入年龄(40～17Ma),表明研究区喜马拉雅造山带的强烈隆升开始于晚新生代.用磷灰石裂变径 迹年龄来计算可知,研究区内花岗岩5.7Ma以来的冷却速率和剥蚀速率分别为18.421℃/Ma和0.526mm/a.5.7～ 9.2Ma间的相对抬升与剥蚀速率为0.229mm/a,9.2～17.0Ma间的相对抬升与剥蚀速率为0.032mm/a.用锆石裂变径 迹年龄来计算知,研究区内花岗岩16.2Ma以来的冷却速率和剥蚀速率分别为12.963℃/Ma和0.370mm/a,冷却速率和 剥蚀速率均小于用磷灰石计算的结果.因此说喜马拉雅造山带从9.2Ma到现在隆升和剥蚀的速率是处于加快的状态.

青藏高原东缘及四川盆地晚中生代以来隆升作用对比研究

通过系统对比磷灰石裂变径迹数据,从整体上探讨了青藏高原东缘地区与四川盆地各地质单元在晚中生代、新生代抬升冷却特征。它们的构造活动在空间上具有分区性和连续性特征,在时间上具有幕式性特点。构造活动的空间上分区性表现在各地质单元隆升特征的差异性,主要为四川盆地川东北-川西南地区及其相邻两侧单元对比的差异和松潘-甘孜造山带南北地区的差异。空间上的连续性表现在中生代-新生代构造活动具有由北向南逐渐迁移的趋势,即由北向南磷灰石裂变径迹年龄减小和径迹长度增大的趋势。构造活动时间的幕式性表现在阶段性的快速冷却(埋深)及其相间的缓慢冷却过程。青藏高原东缘和四川盆地各地质构造单元径迹年龄值及年龄变化范围具有由西向东逐渐增大、径迹长度逐渐减小的趋势,它们在晚中生代-新生代共处于统一的、递进的挤压变形动力学体制下,从西向东构筑成一个有机联系的挤压-抬升体系,其新生代构造抬升运动主要受控于喜马拉雅构造运动,同时也受中央造山带和扬子板块的重要影响。青藏高原东缘新近纪龙门山造山带隆升速率最快(大于600 m/Ma),隆升幅度大于3 km,甚至超过6 km。

冈底斯斑岩铜矿成矿时代及青藏高原隆升

通过离子探针、K_Ar法和Re_Os法测得冈底斯斑岩铜矿带的成矿年龄。冈底斯斑岩铜矿带中驱龙石英二长花岗斑岩的SHRIMP年龄为 (17.5 8± 0 .74 )Ma ,冲江二长花岗斑岩的SHRIMP年龄为 (15 .6 0± 0 .5 2 )Ma,冲江闪长玢岩的SHRIMP年龄为 (14 .5 4± 0 .6 5 )Ma。驱龙和冲江含矿斑岩钾长石的K_Ar年龄分别为 (16 .4 3± 0 .31)Ma和 (15 .77± 0 .4 5 )Ma ,矿石中辉钼矿的Re_Os年龄分别为 (15 .99± 0 .32 )Ma和 (14 .85± 0 .6 9)Ma。因此驱龙和冲江斑岩铜矿的成矿年龄约束于 (17.5 8± 0 .74 )Ma～ (14 .85± 0 .6 9)Ma之间。驱龙石英二长花岗斑岩为强矿化岩石 ,冲江二长花岗岩斑岩为中等矿化岩石 ,冲江闪长玢岩为未矿化岩石 ,三者的年龄依次变小 ,放射性元素2 0 6Pb、U和Th含量则依次增高。这表明随着壳源物质混合的增强 ,铜矿化渐弱。立足于大西洋底栖有孔虫氧同位素变化和印度洋北部海底沉积扇的沉积速率变化来看青藏高原隆升 。

用古土壤有机质碳同位素探讨青藏高原东南缘的隆升幅度

本文首先对玉龙山东麓不同海拔高度现代表土样品有机碳同位素组成进行研究 ,探讨土壤碳同位素组成与海拔高度的关系 ,然后对 0 .5～ 0 .7MaB .P .以来 3期古土壤样品的有机碳同位素组成进行了测定。结果表明 ,现代表土的有机碳同位素组成与海拔高度之间存在良好的相关性 ,应是植被随海拔高度变化的反映 ;不同年龄的古土壤虽然目前均出露于地表 ,但其深部碳同位素组成存在显著差异 ,表明古土壤有机质中仍可能包含了过去植被的信息。根据上述结果对青藏高原 0 .5～ 0 .7MaB .P .以来的隆升幅度进行尝试性估算 ,得到的隆升幅度约为 80 0m。

榆木山地区玉门砾岩磁性地层及其对青藏高原东北部变形隆升意义

青藏高原新生代变形隆升过程是青藏高原新生代构造演化研究的热点问题,地处于高原东北部祁连山东北缘的榆木山是研究高原变形隆升时空过程的关键研究区之一。榆木山地区发育了一套粗砾相磨拉石——玉门砾岩,磁性地层研究表明其底部地质年代约为3.58Ma。经古水流、磁化率、野外考察等推断玉门砾岩可能主要为构造隆升的产物,同时在榆木山地区还发育3个与玉门砾岩有关的不整合面,其跨越年龄分别约为:5.23～3.58Ma、2.88～2.58Ma和<1.77～0.8Ma。综合分析认为该地区变形隆升不晚于3.58Ma,之后至少经历两期构造变形隆升,该结果比北东向分步生长变形隆升模式推测的变形隆升时间明显早约1Ma,应该是对高原东北部青藏-昆黄运动的响应结果。