导读
构造、气候和地表过程之间的相互作用关系及其对地貌演化的影响是构造地貌学研究的重要问题之一。量化地表侵蚀速率是理解构造-气候-地表过程相互作用的关键切入点,也有助于揭示构造、气候等不同因素对造山带地形演化的各自贡献。天山作为亚洲内陆典型的复活型造山带,其受到印度-欧亚板块挤压碰撞的远程影响,在新生代构造复活再造山,并向两侧前陆盆地增生扩展。由此形成独特的地层展布样式、构造格局、古气候历史、水系分布(图1),使得天山成为研究活动造山带构造-气候-地表过程相互作用及其地貌响应的天然试验场。
华东师范大学地理科学学院构造地貌研究团队郑祥民教授、吕红华教授指导博士生姜禹彤,与北京大学李有利教授、浙江大学杨蓉教授、加拿大维多利亚大学焦若鸿博士、中国地震局地质研究所王英副研究员和庞建章副研究员等合作,通过低温热年代学、河流纵剖面反演、磁性地层学、沉积学与沉积物源分析(重矿物组合、锆石U-Pb年代学)等方面的工作,在天山晚新生代隆升剥露过程及沉积地貌响应研究方面取得了系列进展。
图1 天山及周边地区构造与地形格局
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成果一:天山造山带晚新生代两阶段隆升、剥露与扩展
位于北天山西段的四棵树河流经花岗岩分布区,出山后横切山麓第I排构造带的托斯台背斜,随后绕过西湖隆起西端,最后向西流入艾比湖。从构造背景和地貌特征来看,四棵树河流域是开展盆山耦合研究的良好对象。团队沿四棵树河山区河谷系统采集了花岗岩样品,通过磷灰石U-Th/He热年代学分析和河流纵剖面反演,揭示北天山四棵树河山地流域的强烈隆升剥露开始于~10Ma。
进一步基于汇编的>1800个低温热年代学数据(磷灰石、锆石裂变径迹和U-Th/He年龄)(图2),反演得到造山带尺度新生代剥露速率的时空分布模式(图3),发现天山地区广泛的剥露作用始于中新世早期,并在约10Ma显著增强。进一步结合同构造沉积(生长地层)、岩石磁学和构造模型分析等方面的证据,提出天山造山带晚新生代隆升、剥露和扩展的两阶段模式,即~20Ma天山地区广泛的剥露作用开始、自~10Ma隆升剥露显著增强。参考前人关于青藏高原的地球物理学研究结果,认为天山地区~10Ma显著增强的隆升剥露过程可能归因于印度板块-塔里木板块在此时的碰撞。成果发表于中科院一区TOP期刊Earth-Science Reviews。
图2 天山及帕米尔高原北部低温热年代学年龄的空间分布与核密度估计(KDE)
图3 天山及帕米尔高原北部晚新生代剥露速率的时空分布
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成果二:气候干旱化抑制了天山晚新生代剥蚀
前人研究揭示,位于北天山东段的乌鲁木齐河源区发育多期晚第四纪冰碛堆积地貌,表明该区域至少在晚第四纪经历了强烈的冰川作用,已知的最老冰期即高望峰冰期为~0.5Ma。这一气候地貌特征是否意味着乌鲁木齐河源具有较大的剥蚀速率?团队前期利用近50年的水文数据,估算得到的乌鲁木齐河山地流域年际尺度侵蚀速率偏低,为<0.1mm/yr(Guan et al., 2022)。
为进一步探讨这一问题,团队在乌鲁木齐河河源(天山一号冰川区域)采集高程剖面样品(图4),开展了详细的磷灰石U-Th/He分析和QTQt热历史反演研究(图5)。结果表明,乌鲁木齐河源区晚新生代剥露有限。尽管天山晚新生代隆升剥露过程呈现阶段性增强的特征(Jiang et al., 2024),但反演得到的天山~30Ma以来的平均剥露速率普遍较低,与其活动造山带的构造属性不匹配,也显著低于喜马拉雅、台湾中央山脉等受暖湿气候影响的活动造山带的剥露速率。前人研究揭示,天山地区自渐新世晚期/中新世早期的气候干旱化过程大致与山体构造复活再造山同步。因此认为,逐步干旱化的气候是造山带尺度剥蚀的均衡器,其可能制约了碎屑物质的搬运,从而在一定程度上抑制了天山晚新生代的剥蚀。成果发表于中科院一区TOP期刊Global and Planetary Change。
图4 乌鲁木齐河源区热年代学基岩样品采集
图5 乌鲁木齐河源磷灰石U-Th/He高程剖面样品分析结果
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成果三:天山北麓晚新生代陆源沉积物源解析
沉积盆地及其潜在源区的源-汇关系是盆山耦合关系研究的重要内容,对于认识活动造山带地形演化也至关重要。研究聚焦乌鲁木齐河山前晚新生代陆源沉积序列的物源变化及其意义。基于磁性地层学和电子自旋共振(ESR)测年建立的时间标尺(~6.8-0.5 Ma),通过重矿物组合与锆石U-Pb年代学研究,并结合沉积环境分析,发现该沉积序列在~4.6-2.5 Ma、~0.5 Ma发生了两次明显的物源调整(图6),显著增加的物源信号来自河源区的志留纪和华力西早期基岩地层。两次物源调整在时间上分别与北半球冰盖扩张、乌鲁木齐河源区高望峰冰期大致同步。这表明,冰川作用可能在一定程度上促进了乌鲁木齐河源区侵蚀与流域扩张,从而导致在山麓沉积序列中来自志留纪和华力西早期基岩地层的年龄信号增强(图6)。成果发表于美国地球物理联合会(AGU)旗舰期刊Journal of Geophysical Research: Earth Surface。
图6乌鲁木齐河山前晚新生代陆源沉积及源区锆石U-Pb年龄谱
论文列表:
[1] Jiang Yutong, Lu Honghua*, Yang Rong, Pang Lichen, Jiao Ruohong, Wang Ying, Pang Jianzhang, Li Youli. 2024. Two-stage exhumation, uplift, and basinward propagation of the Tian Shan during the late Cenozoic. Earth-Science Reviews, 256, 104868.
https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2024. 104868.
[2] Jiang Yutong, Lu Honghua*, Jiao Ruohong, Pang Lichen, Yang Rong, Wu Menghan, Zheng Xiangmin, Li Youli, 2023. Climatic aridification restrained late Cenozoic denudation of the Tian Shan in the inland of Asia. Global and Planetary Change, 230, 104253.
https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2023. 104253.
[3] Lu Honghua*, JiangYutong, Li Bingjing, Pang Jianzhang, Wu Dengyun, Pang Lichen, Zheng Xiangmin, Li Youli. 2022. Origin of Late Quaternary gravel and drainage basin expansion in the northern Chinese Tian Shan: Insights from sediment provenance analyses. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 127.
https://doi.org/10.1029/2021JF006472.
[4] Guan Xue, Ma Yuanxu, Lu Honghua*, Jiang Yutong, Pang Lichen, Zheng Xiangmin, Li Youli. 2022. Topographic and climatic controls on decadal-scale catchment-basin erosion rates in the northern Chinese Tian Shan. Catena, 210, 105862.
https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105862.
主要作者简介:
吕红华,华东师范大学地理科学学院教授、博士生导师,自2006年以来主要在天山地区开展构造地貌学研究。先后承担国家自然科学基金项目等国家级研究课题6项,参与出版学术专著1部、教材2部,在ESR、QSR、GPC、Paleo-3、Tectonics、Science Bulletin、中国科学: 地球科学等重要学术期刊发表论文60多篇。曾受邀担任美国自然科学基金项目(地貌学)的通讯评审人。任中国第四纪科学研究会地貌演变与环境专业委员会委员、中国地震学会地震地质专业委员会委员、中国地震学会构造地貌专业委员会委员。曾被推荐为国际地貌学家协会(International Association of Geomorphologists)青年地貌学者。
电子邮箱:hhlv@geo.ecnu.edu.cn
个人主页:
/ecnu/smu_faculty/_s33/lhh2/main.psp
ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Honghua-Lu/research
姜禹彤,2020年华东师大地理科学基地班本科毕业,同年9月攻读自然地理学硕士学位,2022年硕转博,研究方向为构造地貌学,以第一作者或共同作者发表学术论文9篇。受国家留学基金委资助,于2023年11月前往苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)Sean Willett教授课题组进行2年期的访学研究,访学期间主要开展低温年代学与地貌数值模拟工作。
电子邮箱:jytgeo@gmail.com