始新世中期安宁河断裂冲断变形特征及其构造意义:来自断层泥自生伊利石K-Ar定年的证据

Middle Eocene thrusting deformation along the Anninghe fault and its regional tectonic implication: Insight from K-Ar dating of authigenic illite-bearing fault gouge

摘要

青藏高原及其周缘褶皱-冲断带变形方式和时限是验证高原形成众多大陆岩石圈变形动力学端员模型的关键。近年发展起来的断层泥自生伊利石K-Ar定年技术为精确限定褶皱-冲断带变形时限提供了有效手段。鲜水河—安宁河—小江断裂系作为伴随印度-欧亚板块碰撞造山和高原物质侧向挤出过程形成的大型左旋走滑断裂系,其变形过程可为解译印度-欧亚板块碰撞远程应力向东传递方式提供关键证据。本文选取安宁河断裂冕宁—西昌段作为研究对象,在详细构造解析以明确其构造运动学特征的基础上,开展了断层泥自生伊利石K-Ar定年研究,以期精确限定安宁河断裂脆性变形的时间。构造解析表明安宁河断裂在近EW向挤压作用下经历了冲断变形,断层带发育碎斑岩和断层泥,指示为脆性变形。安宁河断裂不同粒级断层泥样品的黏土矿物学和伊利石K-Ar定年分析揭示,随着样品粒级减小,高温2M₁型伊利石含量相对低温1M/1M_d型伊利石含量逐渐减少,其K-Ar年龄总体呈变年轻趋势,表明不同粒级伊利石K-Ar年龄是由碎屑2M₁型和自生1M/1M_d型两个多型端员组成的混合年龄。伊利石年龄分析获得自生1M/1M_d型伊利石的年龄为(42.6±9.4)Ma,表明安宁河断裂经历了始新世中期的冲断变形。结合前人构造变形、沉积学、低温热年代学和古地磁等研究,我们认为始新世中期青藏高原腹地及其周缘褶皱-冲断带发生准同期的构造挤压变形,其动力学机制可能与印度-欧亚板块硬碰撞以及青藏高原地块的陆内俯冲所导致的先存构造带活化有关。始新世中期安宁河断裂发生冲断变形直接证明印度-欧亚板块碰撞初期的远程应力已传递至青藏高原东南缘地区。

关键词

安宁河断裂 / 断层泥 / 自生伊利石 / K-Ar定年 / 始新世中期

Key words

Anninghe fault / fault gouge / authigenic illite / K-Ar dating / middle Eocene

0 引言

新生代以来印度-欧亚板块持续碰撞造就了现今世界上面积最大、海拔最高和构造最为复杂的青藏高原^[1⇓-3]。青藏高原构造变形和隆升-生长过程及其大陆动力学机制已然成为全球地学研究经久不衰的热点^{[1⇓⇓⇓⇓⇓-7]}。学者们已提出多种动力学端员模型以解释其形成过程,如刚性块体的侧向挤出模型^[1,8]、岩石圈“连续变形”模型^[9]、岩石圈地幔的拆沉作用^[10]和中-下地壳流动模型^[11]等。尽管诸多动力学端员模型之间存在争议,我们不可否认自中生代拉萨-羌塘地块碰撞以及新生代印度-欧亚板块碰撞以来青藏高原腹地及其周缘褶皱-冲断带发生了强烈的构造缩短^[3,12]。因此,青藏高原及其周缘褶皱-冲断带变形方式、历史与时限是验证高原形成众多动力学模型的关键。

新生代以来,青藏高原及其周缘褶皱-冲断带主体表现为脆性变形特征。前人主要通过地层角度不整合关系^{[12⇓⇓-15]}、岩体侵入和构造切割关系^[12,14]、盆地沉积响应和物源分析^[16⇓-18]以及低温热年代学^[19⇓-21]等方法推测其脆性变形时限,针对脆性域变形同位素年代学的研究相对缺乏。近年来,断层泥自生伊利石K (Ar)-Ar同位素定年成为精确限定褶皱-冲断带脆性变形年龄最为常规和有效的手段之一^{[22⇓⇓⇓⇓⇓-28]}。断层泥自生伊利石是指脆性断层活动过程中富钾流体参与低温水岩作用形成的自生1M/1M_d型伊利石黏土(<0.1 μm甚至更小粒级),因此其年龄可代表脆性断层活动的时限^[22,29]。部分学者基于青藏高原北缘西秦岭断裂^[30]、东昆仑断裂^[31]、可可西里风火山冲断带^[32]和高原腹地南羌塘地块荣玛逆冲推覆构造^[33]的断层泥自生伊利石定年研究,定量约束了印度-欧亚板块碰撞的远程应力在高原腹地和北缘地区的传递过程。但青藏高原东缘主干断裂对印度-欧亚板块碰撞远程响应过程仍不明确。

青藏高原东南缘鲜水河—安宁河—小江断裂系是伴随印度-欧亚大陆碰撞造山和高原物质侧向挤出过程形成的晚新生代大型左旋走滑断裂系^{[34⇓⇓-37]}(图1^{[1,19-20,37⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-58]})。该断裂系演化历史悠久,发育多期韧-脆性叠置构造,现今地震活动强烈,是解译印度-欧亚板块碰撞远程应力向东传递的理想载体。本文拟通过对安宁河断裂开展构造解析和断层泥自生伊利石K-Ar定年研究,厘定其构造变形方式及其时限,为高原东南缘主干断裂对印度-欧亚板块碰撞远场应力的响应提供直接证据。结合青藏高原东南缘构造变形和隆升-剥露事件等研究进展,本文探讨了新生代早期印度-欧亚板块碰撞背景下青藏高原大陆岩石圈变形的动力学机制。

1 区域构造背景

青藏高原东缘主要由巴颜喀拉地块和川滇地块两个活动地块组成^[38](图1)。川滇菱形地块北以鲜水河断裂为界与巴颜喀拉地块相邻,东以安宁河—小江断裂为界与华南板块相接,西以金沙江断裂和哀牢山—红河断裂带为界与东羌塘和滇缅等地块毗邻^[38]。前人低温热年代学研究表明,高原东南缘川滇地块及其周缘主要经历了晚白垩世早期^[20,40-41]、始新世^{[20,41⇓⇓⇓-45]}、晚渐新世—早中新世^{[40⇓-42,45⇓⇓⇓⇓⇓-51]}和晚中新世以来^{[19,43,46,51⇓⇓⇓⇓⇓⇓-58]}等多期快速隆升-剥露事件(图1)。川滇地块现今整体以东喜马拉雅构造节为中心发生顺时针旋转变形^[39,59](图1)。鲜水河—安宁河—小江断裂系为川滇地块南东向旋转-挤出的边界断裂^[34],主体呈NW-SE向至近SN向展布,呈现为向NE凸出的弧形(图1)。该断裂系由北段的甘孜-玉树断裂和鲜水河断裂,中段的安宁河断裂、则木河断裂和大凉山断裂以及南段的小江断裂组成,全长约1 800 km^[34,60]。

安宁河断裂位于鲜水河—安宁河—小江断裂系由NW向SN转换的重要部位(图1)。该断裂(F₃)北起于石棉田湾附近与鲜水河断裂南东段的磨西断裂相接,向南经栗子坪、冕宁、西昌、德昌和攀枝花,延伸至云南境内,总体呈SN向延伸约600 km,在西昌附近与NW向则木河断裂(F₄)相交^[61-62](图2^[49,57,65])。安宁河断裂具有漫长的活动历史:自晋宁期形成以来先后经历了澄江期、海西期张性活动和印支期韧性挤压变形,并在燕山期和喜山期发生脆性变形^[61-62]。晚新生代以来,受到川滇地块侧向挤出的影响,安宁河断裂表现为左旋走滑兼具逆冲活动,走滑位移量为47~53 km,走滑速率为5~6 mm/a^[63-64]。安宁河断裂冕宁—德昌段主要沿安宁河谷发育(图2),沿断裂带发育新元古代和中—新生代酸性或碱性岩浆岩,可间接反映其多期构造活动。安宁河断裂以东的西昌—昭觉地区出露厚达3~5 km的晚三叠世—古新世陆相碎屑地层,构成西昌盆地。西昌盆地内部发育黑水河断层(F₅)、石棉-昭觉断层(西支F₆,东支F₆’)和汉源—甘洛断层(F₇)等(图2),总体表现出早期冲断变形和晚期左旋走滑变形特征。邓宾等^[66]和Deng等^[57,65]通过对喜德和甘洛地区的低温热年代学研究,认为西昌盆地自40~20 Ma以来经历了持续冷却抬升(平均剥露速率0.1~0.3 mm/a),并在约10 Ma以来发生快速冷却抬升(剥露速率0.4~0.8 mm/a)(图2)。Wang等^[49]基于螺髻山地区的磷灰石、锆石(U-Th)/He研究,推测安宁河断裂在晚渐新世—早中新世(24~18 Ma)时期经历冲断变形并导致螺髻山岩体发生差异剥露(图2)。Wang等^[67]对安宁河支流碎屑裂变径迹测年、年龄-高程模拟和构造地貌进行综合分析,揭示安宁河周缘山脉经历了渐新世、晚中新世、上新世和更新世等多期快速剥露事件。

2 安宁河断裂变形特征

本文主要聚焦于安宁河断裂冕宁—西昌段开展基岩构造解析工作。在冕宁县石龙镇附近,安宁河断裂出露于震旦纪小相岭灰绿色至灰红色流纹岩(Z_aλ)中,断层带内发育碎斑岩和断层泥,表现为脆性变形。露头可见次级断层f₁,f₂和f₃发育,断层面平直,总体倾向W,倾角为65°~85°(图3a)。f₁断层带发育灰白色断层泥带10~40 cm,由碎斑岩组成的强劈理化带约3 m,基岩破碎带约10 m(图3b)。f₁断层带发育陡立劈理S₁(图3b),劈理面与断层面之间的锐夹角主体指示f₁断层的运动学性质为逆冲活动。断层f₁和劈理S₁的赤平投影和等密图分析表明,该断层形成于近EW向挤压(图3a)。f₁断层带内的断层泥MJ12-f显微薄片观察表明,断层泥主要由石英和黏土矿物组成,二者之间界线分明,石英颗粒表面常发育破裂纹(图3d)。正交偏光下可见黏土矿物具有明显定向性(图3d),表明断层泥形成过程中受到了显著的差应力作用。在西昌礼州鲁基乡一带,震旦系片理化流纹岩(Z_aλ)内部发育逆断层f₄,断层面产状为60°∠75°,断层带内发育构造角砾岩,并见劈理面S₁呈叠瓦状排列(图3c),指示其运动学性质为逆冲活动,断层面与劈理面赤平投影分析总体指示断层f₄形成于NEE-SWW向挤压。另外,在冕宁县SE国道108旁,新元古代灰白色黑云母花岗岩和第四纪阶地砾石层(Q^pl)中发育正断层f₅(图3e)。f₅断层面平直,产状为287°∠75°,其上被全新世坡积物(Qh^dl)所覆盖。花岗岩基岩发生强碎裂岩化,镜下可见石英颗粒发生明显的碎裂变形(图3f)。根据第四系砂砾石沉积错动方向指示断层f₅为正断性质;同时露头发育一组与断层面倾向相反的高角度陡倾剪节理(J),优势产状为100°∠80°。节理面与断层面之间的锐夹角平分线指示最大主应力方向近于直立,表明f₅断层形成于NWW-SEE向拉张(图3f),这可能与晚新生代沿安宁河谷的伸展变形事件有关^[68]。

上述构造解析表明安宁河断裂至少经历了脆性挤压变形和正断活动。前人基于安宁河断裂带内发育糜棱岩、构造透镜体、构造角砾岩和断层泥等,认为安宁河断裂存在为早期韧性挤压变形和晚期脆性变形的多期叠置^[61]。陈应涛等^[69]通过构造解析认为安宁河断裂自印支期以来至少存在4期活动:NEE-SWW向挤压的韧性变形→NNE-SSW向挤压的脆-韧性变形→近EW向挤压的韧-脆性构造→NWW-SEE向挤压的脆性走滑变形。基于安宁河断裂带基岩变形和磁组构研究,华天等^[70]划分安宁河断裂新生代主期变形事件3期,第一期为始新世时期NE-SW向挤压导致的右旋走滑逆冲活动,第二期为渐新世—早中新世近EW向挤压作用形成近NS向劈理带,第三期为晚中新世以来NW-SE向挤压下的逆冲走滑活动。张岳桥等^[68]基于安宁河河谷晚新生代地层发育特征及构造解析,认为晚新生代以来安宁河断裂存在晚上新世之前的挤压走滑变形、晚上新世—早更新世NE-SW向拉张作用下的走滑伸展变形、早更新世末期的走滑挤压变形、中晚更新世的断陷作用和晚更新世以来的左旋走滑变形等5个构造活动阶段。综上表明,由于沿断裂带新生代地层残缺和构造变形年代学数据匮乏,安宁河断裂变形期次和时限仍存在较大争议。基于冕宁石龙镇附近安宁河断裂基岩构造解析,下文通过断层泥自生伊利石K-Ar同位素定年研究以约束安宁河断裂脆性挤压变形的时限。

3 断层泥自生伊利石K-Ar定年分析

断层泥自生伊利石通常是指脆性断层在低温(<约200 ℃)变形过程中形成的自生1M/1M_d型伊利石黏土(<0.1 μm甚至更小粒级)^[29]。一般情况下,断层泥黏土中包含自生1M/1M_d型和碎屑2M₁型两种伊利石多型端员:前者是在脆性断层活动期间发生低温水岩作用而形成,可代表断层脆性变形的时限;后者通常为源自围岩的碎屑组分或早期高温韧性变形产物^[22,26,29]。理论上,通过对最小粒级自生1M/1M_d型伊利石进行K (Ar)-Ar同位素定年便可约束脆性断层变形的时限。但由于不同断层泥黏土粒级中的伊利石通常由低温1M/1M_d型和碎屑2M₁型伊利石混合组成,其同位素年龄常表现为混合年龄^{[22,25,29,71]},不具有特定地质意义。基于断层泥自生1M/1M_d型和碎屑2M₁型两个伊利石多型端员的混合模型,通过对不同黏土粒级中碎屑2M₁伊利石占伊利石的百分含量与其对应的K (Ar)-Ar年龄进行线性拟合分析(伊利石年龄分析)^[22],可外推出2M₁型伊利石含量为零时样品中自生1M/1M_d伊利石的年龄,即代表脆性断层的活动年龄。因此,黏土分离、黏土矿物学分析(包括扫描电镜、透射电子显微镜和X射线衍射分析等)和K (Ar)-Ar同位素定年等实验分析流程是成功开展断层泥自生伊利石同位素年代学研究的关键^[22,29,72]。

3.1 样品采集及测试分析

本次对位于冕宁石龙镇的安宁河断裂地表露头点采集了1件新鲜断层泥样品MJ12-f(图3b)。断层泥分离在澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO, Perth, Australia)黏土分离实验室完成。首先根据Stoke’s法则,采用重力沉降法将断层泥分离为<2 μm的黏土;随后使用高速离心机将<2 μm黏土逐级分离为1~>0.5(和2~>0.5)、0.5~>0.2、0.2~0.1和<0.1 μm等不同粒级;最后,在<60 ℃环境下将不同粒级黏土悬浮液蒸干待黏土矿物学及K-Ar同位素年代学研究。

黏土矿物学分析主要采用扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)分析3种方法。本次研究对最小粒级(<0.1 μm)断层泥黏土进行了TEM观测。TEM分析在澳大利亚科廷大学完成,测试仪器为FEI Talos FS200X G2 FEG-TEM,同时配备Super-XG2能谱探测器进行元素组分分析。SEM观测在CSIRO矿物学实验室完成,使用仪器为Zeiss Ultra Plus SEM。XRD分析在CSIRO矿物学实验室完成,测试仪器为Bruker D4 Endeavor XRD分析仪(配备Co靶辐射)。首先对不同粒级断层泥黏土样品进行自然干燥和乙二醇饱和定向片XRD测试,扫描角度2θ为2°~35°。通过自然干燥和乙二醇饱和定向片的XRD图谱对比判定伊利石(001)晶面(晶面间距d=10 Å)衍射峰是否发生偏移,从而鉴定样品中是否含有黏土膨胀层(蒙脱石)。不同粒级样品的伊利石结晶度KI指数(Kübler Index)通过自然干燥定向片XRD图谱的伊利石(001)晶面衍射峰半高宽^[73-74]测得,以Δ°2θ表示,并用国际标样对其进行校正^[75]。为了鉴定不同粒级黏土样品中的伊利石多型组成和含量,本次对断层泥MJ12-f由大到小多个粒级样品进行了随机粉末XRD测试,扫描角度2θ介于20°~45°。本文采用标准矿物比对法^[27,72]对断层泥MJ12-f不同粒级黏土样品进行伊利石多型定量分析,误差取3%^[29]。

断层泥自生伊利石定年在CSIRO K-Ar同位素定年实验室完成。具体实验流程参考文献^[76]。首先,将不同粒级待测样品分为两等份(每份约20 mg),分别对其进行⁴⁰K和⁴⁰Ar含量测试。K含量测定运用原子吸收光谱法:将约20 mg样品溶于HF和HNO₃中,然后将溶液稀释至K含量约为20×10^-6后,运用Agilent Technologies 725 ICP-OES仪器进行测试。Ar含量测试采用同位素稀释法^[77]:首先,在真空环境下将样品高温熔化并萃取出氩气;随后对气体进行纯化并加入已知量的³⁸Ar稀释剂作为标尺;最后运用VG3600质谱仪测量混合气体中的⁴⁰Ar、³⁸Ar和³⁶Ar丰度,并对其中的⁴⁰Ar进行大气氩校正,同时以³⁸Ar稀释剂作为标尺计算样品中放射性成因氩(⁴⁰Ar^*)的含量。K-Ar年龄运用同位素⁴⁰K丰度及其衰变常数计算^[78]。在实验过程中,使用黑云母国际标样HD-B1进行年龄测试,以检验测试样品年龄的准确度。考虑样品称重、³⁸Ar/³⁶Ar和⁴⁰Ar/³⁸Ar值的测量、K含量分析的误差,所有样品K-Ar年龄误差为2σ。

3.2 断层泥矿物学特征

SEM观察和能谱元素分析指示,样品MJ12-f 1~>0.5 μm粒级中伊利石呈板状,颗粒边缘多呈浑圆形或波状(图4a),最小粒级(<0.1 μm)中可见伊利石黏土呈短柱状,具菱形边界(图4b)。在透射电子显微镜(TEM)下,样品MJ12-f <0.1 μm粒级中黏土矿物晶体形态更为清晰,主要表现为自形短柱状、板状或长柱状(图4c,d),部分颗粒见明显的菱形边界。结合能谱元素分析(图4c),表明最小粒级样品主要由自生伊利石组成。另外,TEM观测显示MJ12-f最小粒级(<0.1 μm)中伊利石(001)晶面的单层厚度约为0.5 nm(图4d₁),小于结晶更好的高温2M₁型伊利石或白云母(001)晶面单层结晶厚度1 nm,进一步证实最小粒级样品主要由结晶程度较差的低温自生伊利石组成。

基于断层泥MJ12-f<2 μm黏土粒级自然干燥和乙二醇饱和定向片XRD图谱的对比分析(图5a),我们可以看到伊利石(001)晶面衍射峰并未发生明显偏移,表明断层泥MJ12-f <2 μm黏土粒级中无蒙脱石或伊利石-蒙脱石混层存在。断层泥MJ12-f 1~>0.5、0.5~>0.2、0.2~0.1和<0.1 μm 4个黏土粒级的XRD定向片测试分析进一步表明,所有粒级均主要由伊利石组成,其中1~>0.5和0.5~>0.2 μm粒级中含少量石英(图5b)。我们进一步测量了自然干燥定向片XRD图谱中伊利石(001)晶面衍射峰半高宽,得到断层泥MJ12-f由大到小4个粒级伊利石KI指数依次为0.29、0.41、0.70和0.97(表1),表现为随粒级逐渐减小而增大。由此可知,随黏土粒级减小伊利石结晶程度逐渐减弱,其极低级变质程度也由浅层带逐渐向浅成岩带过渡(表1)。此外,随机粉末XRD测试分析表明,MJ12-f不同粒级中伊利石由低温1M/1M_d型和高温2M₁型两个多型端员组成(图6)。其中,1M型伊利石含量相对较少,未见于最小粒级样品(<0.1 μm)。值得注意的是,在最大粒级(2~>0.5和1~>0.5 μm)样品中存在少量钾长石混入(图6)。本文运用标准矿物比对法^[27,72]对不同粒级样品进行伊利石多型定量分析,取得了良好的拟合度(图6):(1)XRD图谱中测试样品与标准矿物拟合曲线具有相似的背景值;(2)1~>0.5、0.5~>0.2、0.2~0.1和<0.1 μm 4个粒级的伊利石(002)晶面衍射峰强度小于(020)晶面衍射峰强度,表明本次所制备的XRD随机粉末样品具有较好的粉末随机度;(3)伊利石(002)和(020)晶面的衍射峰基本重合表明测试样品与标准样品具有相似的粉末随机度;(4)测试样品与标准样品的2M₁型伊利石特征衍射峰强度基本一致。综合以上结果表明,随着粒级减小,2M₁型伊利石含量由最大粒级(1~>0.5 μm)的65%减少至最小粒级(<0.1 μm)的15%(图6、表1)。最小粒级样品主要由结晶度较差的自生1M_d型伊利石组成,这与SEM和TEM的观测结果一致。

综合SEM、TEM观测和XRD测试分析表明,断层泥MJ12-f不同粒级黏土主要由伊利石组成。随着样品粒级减小,伊利石结晶度KI指数逐渐增大,2M₁型伊利石含量相对1M/1M_d型伊利石含量逐渐减少。最大粒级(2~>0.5和1~>0.5 μm)黏土样品中存在少量石英和钾长石混入。最小粒级(<0.1 μm)样品主要由自形短柱状、长柱状的自生低温1M_d型伊利石组成。

3.3 不同粒级断层泥K-Ar年龄结果

本次对安宁河断裂断层泥MJ12-f 1~>0.5、0.5~>0.2、0.2~0.1和<0.1 μm共计4件黏土粒级样品进行了K-Ar同位素测年,测试数据详见表2。不同粒级样品K含量为8.26%~5.87%,放射性⁴⁰Ar含量为99.1%~92.1%。由大到小4个粒级的K-Ar年龄依次为(171.3±3.9)、(208.0±4.8)、(158.3±3.6)和(98.7±2.3) Ma。除去1~>0.5 μm粒级样品,其他3件样品的K-Ar年龄具有随着粒级减小逐渐变年轻的趋势。

4 讨论

4.1 断层泥自生伊利石年龄解释

安宁河断裂断层泥MJ12-f不同黏土粒级样品的XRD分析表明,MJ12-f <2 μm黏土主要由伊利石组成,且随着粒级减小,伊利石结晶度KI指数逐渐增大,指示伊利石结晶程度逐渐减弱。结合SEM和TEM观测,MJ12-f最小粒级(<0.1 μm)XRD测试结果表明该样品主要由自形较好的自生1M_d型伊利石组成。不同粒级中2M₁型伊利石相对伊利石的含量由1~>0.5 μm粒级的65%减少至<0.1 μm粒级的15%(图6),表明不同粒级样品中伊利石是由高温2M₁型和低温1M/1M_d型两个多型端员组成的,因此其K-Ar年龄为2M₁型和1M/1M_d型伊利石组成的混合年龄,没有具体地质意义。基于伊利石年龄分析,即对不同粒级样品伊利石中2M₁型伊利石含量与(e^λt-1)进行误差加权最小二乘法线性回归分析(e为自然常数,λ为K-Ar同位素系统的衰变常数,t为对应样品的K-Ar年龄),可外推出碎屑2M₁型伊利石含量为零时低温1M/1M_d型伊利石的真实年龄,即代表断层发生脆性变形的时限^[22,29]。

通常情况下,随着黏土粒级逐渐减小,断层泥样品中碎屑(高温)2M₁型伊利石的含量也逐渐减少,自生低温1M/1M_d型伊利石含量相应增高,因此其K-Ar年龄也逐渐变年轻。本次随机粉末XRD分析表明,断层泥MJ12-f不同粒级样品中2M₁型伊利石含量随粒级减小而逐渐减少(表1)。然而,由断层泥MJ12-f的年龄-粒级投图(图7a)可以看到,除去最大粒级(1~>0.5 μm)样品,其余3个粒级样品的K-Ar年龄随着粒级减小逐渐变年轻。因此,我们认为MJ12-f最大粒级(1~>0.5 μm)的K-Ar年龄表现为异常年轻年龄。前人研究表明,黏土样品的非均质性和K-Ar定年中将样品分为两等份分别测试K、Ar含量导致的误差^[79]、其他含K矿物相(如钾长石、钾盐等)的混入^[80]以及黏土矿物Ar-Ar定年采用快中子照射导致的放射性³⁹Ar核反冲^[31,81]等因素均可能导致黏土矿物K (Ar)-Ar年龄发生异常。MJ12-f 2~>0.5和1~>0.5 μm粒级的随机粉末XRD分析表明最大粒级样品中存在少量钾长石混入(图6)。前人研究认为,钾长石K-Ar同位素系统的封闭温度为200~350 ℃^[82⇓-84],略大于1M/1M_d型伊利石的形成温度(一般低于200~250 ℃)^[29],表明一般情况下脆性域断层变形作用并不能导致断层泥中钾长石K-Ar同位素系统发生重置。因此,本文认为钾长石的混入可能是导致MJ12-f最大粒级(1~>0.5 μm)K-Ar年龄发生异常年轻的原因,故而在伊利石年龄分析中排除了该数据。

本次通过对断层泥MJ12-f 0.5~>0.2、0.2~0.1和<0.1 μm粒级的伊利石年龄分析获得2M₁型和1M_d/1M型伊利石的年龄分别为(395.2±37.8)和(42.6±9.4) Ma(2σ误差; 图7b)。高温2M₁型伊利石年龄(早泥盆世)和自生低温1M_d/1M型伊利石年龄(约43 Ma)均远小于围岩震旦系小相岭流纹岩(Z_aλ)的结晶年龄,因此我们认为前者可能代表安宁河断裂在早泥盆世时期的韧性活动,后者则记录了始新世中期安宁河断裂的脆性变形事件。Wang等^[49]对安宁河谷震旦系流纹岩(海拔<1 500 m)的锆石(U-Th)/He(ZHe)测年获得冷却年龄为73~40 Ma,表明安宁河谷震旦系流纹岩在晚白垩世晚期—早新生代期间剥露速率相对缓慢,并在较长时间内滞留于ZHe部分滞留带(约180 ℃)。结合1M/1M_d型伊利石的形成温度一般低于200~250 ℃^[29],本文认为安宁河断裂MJ12-f断层泥内部低温1M/1M_d型伊利石的形成温度为180~200 ℃。考虑到研究区现今地表年平均温度约20 ℃和地温梯度约30 ℃/km^[85],我们认为现今安宁河断裂地表出露点在始新世时期的埋深为5.3~6 km。

4.2 青藏高原东南缘早新生代构造变形与剥露作用

前文通过断层泥自生伊利石K-Ar定年研究(图7b)定量约束了安宁河断裂在始新世中期(约43 Ma)的脆性变形事件,结合露头构造解析(图3a, b)和显微薄片观测(图3d)表明安宁河断裂该期冲断变形与近EW向挤压作用有关。区域上,众多学者通过同构造花岗岩年代学^[86-87]、构造变形^[88-89]、沉积盆地响应^[90]和古地磁^[91⇓-93]等研究同样揭示古新世—始新世时期青藏高原东南缘广泛经历了显著挤压变形事件(图8^{[17,20,30⇓⇓-33,86⇓-88,93⇓⇓-96]})。例如,贡嘎山同构造花岗岩基的锆石U-Pb定年表明,鲜水河断裂在47~20 Ma期间发生了与混合岩化相关的挤压变形作用^[86-87]。构造变形、年代学和同构造沉积证据揭示高原东部玉树—囊谦褶皱-冲断带经历了古新世—始新世时期的薄皮式冲断变形^[88,90],这与贡觉盆地新生界磁性地层学数据所揭露的古新世(69~64 Ma)和始新世(52~48 Ma)构造缩短事件近于一致^[91-92]。另外,扬子板块西南缘楚雄盆地中生界与新生界之间不整合接触关系和构造变形研究表明,古近纪—新近纪期间楚雄盆地受到近EW向挤压形成近SN走向的褶皱和断层^[89]。Li等^[93]通过对扬子板块西南缘吕合盆地的同沉积构造、磁性地层学和⁴⁰Ar-³⁹Ar定年研究,限定NW向楚雄控盆断裂始于晚始新世(约35 Ma)发生挤压变形。同样,高原东南缘锦屏山逆冲推覆构造带内部石英、方解石脉体的电磁共振测试获得多组年龄(58~29 Ma),代表新生代早期的构造变形^[96]。此外,越来越多的低温热年代学证据也揭示青藏高原东缘龙门山构造带北段(50~40 Ma)^[97],东南缘楚雄盆地的元谋地区(40~28 Ma)^[44],三江构造带的左贡—芒康(约45 Ma)^[42]、德钦—维西(60~40 Ma)^[41]和玉雪龙山(50~39 Ma)^[20]地区均存在始新世时期的快速剥露事件(图1),并可能分别受控于同时期北川断裂、元谋断层、澜沧江断裂带和鲁甸—中合江断裂带的冲断变形作用。综合以上研究,我们认为印度-欧亚板块碰撞的新生代早期青藏高原东南缘经历了准同期构造挤压事件,其区域构造应力方向主体为NE-SW向^[20,93]。大量的古地磁研究表明,受到大型走滑断裂和块体边界断裂控制,青藏高原东南缘不同块体自始新世晚期以来经历了显著的构造挤出和旋转变形^[98-99]。高原块体东向挤出过程中受到东(南)缘NE向龙门山—锦屏山逆冲推覆构造带和近NS向安宁河断裂等先存边界断裂的阻挡,在龙门山—锦屏山构造带和扬子板块西缘的西昌盆地、楚雄盆地形成NEE-SWW向挤压应力而发生褶皱-冲断变形(图8)。

值得注意的是,本文所揭示的安宁河断裂始新世中期(约43 Ma)冲断变形事件与大凉山构造带始于约40 Ma的缓慢剥露作用在时间上相吻合^[65],但明显早于该地区晚渐新世—中新世(25~20 Ma)的快速剥露事件^[49]。我们认为:一方面这表明低温热年代学所揭示的垂向快速剥露事件通常滞后于区域水平挤压褶皱变形、构造缩短事件;另一方面可能反映了安宁河断裂存在始新世中期和晚渐新世等多期冲断变形事件。因此,后续需要更多地开展青藏高原东南缘褶皱-冲断带构造变形、脆性域变形同位素年代学和断裂带流体演化研究,以进一步揭示区域上多期构造变形事件与多阶段隆升-剥露作用之间的耦合关系,以及明确构造事件对地表隆升-剥露过程的贡献。

4.3 构造意义

自印度-欧亚板块碰撞(65~50 Ma)以来,青藏高原腹地及周缘造山带经历了强烈构造变形和地壳缩短。长期以来,针对青藏高原岩石圈构造变形的应力和应变传递方式始终存在争议。前人提出诸多大陆动力学端员模型预测了青藏高原不同岩石圈变形过程:刚性岩石圈块体侧向挤出模型认为青藏高原变形和隆升作用具有由南向北阶段性传递和生长特征,变形主要集中于岩石圈块体边界的大型断裂带^[1,8];岩石圈“连续”变形模型认为印度-欧亚大陆碰撞初期可导致青藏高原腹地及其周缘发生连续性构造缩短和隆升事件^[9];下地壳流动模型预测了青藏高原中-下地壳塑性物质向东流动过程中受到扬子坚硬地块的阻挡发生堆积上涌导致龙门山构造带晚中新世的隆升,中-下地壳的南东向流动则驱动高原东南缘现今残余低起伏地形面在晚中新世发生被动抬升,并伴随河流的快速下蚀^[11]。因此,开展青藏高原内部及其周缘褶皱-冲断带变形方式、时限研究可为高原形成的动力学端员模型提供有效约束。

断层泥自生伊利石定年和低温热年代学研究揭示,青藏高原北东缘的西秦岭断裂^[30,94](约50 Ma)、东昆仑断裂^[31](约46 Ma)、可可西里盆地的风火山冲断带^[32](约48 Ma)和高原腹地荣玛冲断带^[33](36~30 Ma)均在始新世时期发生冲断变形和构造缩短。青藏高原北缘柴达木盆地沉积学证据也表明柴北缘断裂在始新世时期发生构造活动^[17]。与此同时,青藏高原东南缘鲜水河断裂同构造花岗岩年代学^[86-87]、囊谦—玉树褶皱-冲断带构造变形^[88]和鲁甸—中合江褶皱-冲断带低温热年代学研究^[20]揭示了古新世—始新世时期的挤压变形事件。本文基于构造解析和断层泥自生伊利石K-Ar定年研究,首次揭示青藏高原东南缘安宁河断裂在始新世中期发生冲断变形。板块重建研究表明印度-欧亚板块在古新世晚期发生软碰撞,随后在始新世中期以来发生大陆硬碰撞作用,汇聚速率急剧降低^[100]。安宁河断裂始新世中期(约43 Ma)冲断变形事件与印度-欧亚板块硬碰撞作用在时间上耦合,表明印度-欧亚板块碰撞初期的远程应力已传递至青藏高原东南缘地区。由此,我们认为始新世中期印度-欧亚板块硬碰撞导致青藏高原腹地及其周缘褶皱-冲断带发生活化,形成准同期的构造挤压变形(图8)。结合可可西里和囊谦—芒康地区碱性岩体的年代学和地球化学分析所揭示的始新世时期松潘-甘孜地块发生南向陆内俯冲这一动力模型^[88,101-102],本文认为始新世中期印度-欧亚板块硬碰撞和青藏高原地块的陆内俯冲是导致高原腹地及其周缘先存构造带发生冲断变形的重要动力来源。由此表明,青藏高原大陆岩石圈变形过程既不同于刚性岩石圈块体侧向挤出模型,也与岩石圈“连续”变形模型存在明显差异,高原大陆岩石圈复杂流变学特征和先存构造薄弱带对其变形过程具有重要控制作用^[103-104]。

5 结论

(1)安宁河断裂在近EW向挤压应力作用下经历了冲断变形,断层带发育碎斑岩和断层泥,指示脆性变形特征。

(2)安宁河断裂不同粒级断层泥黏土主要由伊利石组成。最小粒级(<0.1 μm)样品中伊利石主体呈自形短柱状、长柱状,表现为自生伊利石。随着样品粒级减小,伊利石结晶程度逐渐减弱,2M₁型伊利石含量相对1M/1M_d型伊利石含量逐渐减少。

(3)伊利石年龄分析得出自生1M/1M_d型伊利石的K-Ar年龄为(42.6±9.4)Ma,指示安宁河断裂冲断变形发生于始新世中期。

(4)青藏高原经历了始新世中期的准同期构造挤压变形,其动力学机制可能与印度-欧亚板块硬碰撞以及青藏高原内部地块的陆内俯冲所导致的先存构造带活化有关。安宁河断裂始新世中期的冲断变形事件完美记录了印度-欧亚板块碰撞初期的远程应力对青藏高原东南缘主干断裂的作用。

感谢姜巽和陈涛等师弟在野外地质调查中的大力支持。特别感谢CSIRO胡斯宇师姐在TEM测试分析中提供的热情帮助。断层泥显微薄片制作和黏土SEM、XRD测试分析分别得到了Winchester CSIRO DEREK和Verrall MICHAEL的诸多指导和帮助,在此一并致以诚挚谢意。感谢编辑和匿名审稿专家提出的诸多建设性意见和建议。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42230310)

国家自然科学基金项目(41472107)

国家自然科学基金项目(41230313)

成都理工大学珠峰研究计划项目(80000-2021ZF11408)