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南海北部大陆边缘地处太平洋构造域与特提斯-喜马拉雅构造域的交汇地带,其构造格架的形成与青藏高原在新生代的隆起密切相关。伴随着高原的隆升,印支地块、川滇地块等次级块体沿大型走滑断裂带发生侧向挤出,引起了南海海盆和大陆边缘的扩张(Tapponnier et al.,2001;许志琴等,2016),而高原内物质沿东南缘的运移又为浅水海域的陆架和陆坡提供了丰富的沉积和充填物质,由此,塑造了一系列资源潜力巨大的沉积盆地(Briais,1993)。沿青藏高原东南缘分布有怒江、澜沧江、金沙江和红河等一系列南北、南东向分布的大型水系(图1),被认为是以往南海大陆边缘物质来源的重要渠道(Clift et al.,2020;刘栋梁等,2022)。此外,大型水系演化对地壳变形和构造演化极其敏感,被认为是理解区域断裂活动和机制的有效手段(Yang Rong et al.,2015, 2020, 2021),由此可以为边缘海形成的构造演化和机制提供重要参考。其中,发育于长江上游的金沙江被认为以往流经至石鼓附近后并未发生拐弯,而是继续南流并入红河流域,并最终注入南海。而现今长江第一弯的形成则是以往南流金沙江被袭夺并最终向东流去的重要证据(Clark et al.,2004)。这一袭夺事件的发生不仅造成了现今南海北部莺歌海盆地的沉积总量远大于现代红河流域的岩石剥蚀总量(Clark et al., 2005)以及相关沉积物质和沉积序列的急剧变化,同时还可能与奠定现今南海周缘构造框架的断裂活动密切相关(van Hoang et al.,2009;Clift et al.,2020;Lyu et al.,2021;刘栋梁等,2022)。
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图1 青藏高原东南缘水系地貌简图
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Fig.1 Sketch map of river systems and geomorphology along the southeastern margin of Tibetan Plateau
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然而,到目前为止,对于这一重大袭夺事件以及长江东流的具体时代还存在较大争议。依据广泛分布于金沙江主支流河谷中的湖相沉积地层,也就是昔格达组沉积的物源分析,古雅砻江被认为经过攀枝花后自东向西与古金沙江并流后向南流去。而随着昔格达古湖在1.58~1.34Ma的形成和切穿,古金沙江发生袭夺,由此开始向东流去(Kong Ping et al.,2009, 2012;Deng Bin et al.,2020)。通过江汉盆地沉积物分析获得的三峡贯通时间,同样支持金沙江袭夺发生于更新世早期这一观点(Sun Xilin et al.,2021;Li Yawei et al.,2021)。近些年来,越来越多的第四纪早期的快速河流侵蚀事件在三江流域峡谷中被报道,表明进入第四纪以来,青藏高原东南缘的多个断裂系统进入了新一轮的活跃期,为这一时期发生的水系重组事件提供了合理的成因机制(Deng Bin et al.,2020;Replumaz et al.,2020;Yang Rong et al.,2020;Shen Xiaoming et al.,2021)。尽管如此,对青藏高原东南缘早期水系下切事件的研究主要来源于低温热年代学。相关结果显示三江地区的水系地貌格局应形成于早中新世,与青藏高原重要的隆升时期一致(Clark et al.,2004, 2005;Ouimet et al.,2010;Mcphillips et al.,2016;Shen Xiaoming et al.,2016; Jiao Ruohong et al.,2022)。通过对最老金沙江河流沉积物的搜寻和调查,Zheng Hongbo et al.(2013,2020)分别在现今长江下游的苏北盆地和金沙江大拐弯以南的剑川盆地发现了古金沙江的早期沉积物,从而成功将古金沙江的袭夺和东流事件的起始时间追溯到晚始新世,与青藏高原在这一时期的隆升有关。这一结论与在长江三峡黄陵岩基开展的低温热年代学研究所获得的结果一致(Richardson et al.,2010)。然而,由于以往物源分析的手段主要是碎屑锆石的U-Pb定年,随着物源分析方法的发展,尤其是碎屑云母和碎屑钾长石40Ar/39Ar定年技术的应用,这些古老沉积物究竟是否可以代表古金沙江水系的物质受到了严峻挑战(Zhang Zengjie et al.,2014;Wei Honghong et al.,2016;Sun Xilin et al.,2021)。综上所述,目前对古金沙江袭夺事件的报道大多来自于相关盆地沉积物或峡谷低温热年代学的间接测定,缺乏对金沙江大拐弯,也就是长江第一弯的直接研究,从而引起了在袭夺时间和机制上的重大争论,间接影响了我们对南海形成演化和资源勘查方向的判断。
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在古金沙江袭夺和东流历史的研究中,虎跳峡和长江三峡的切穿被认为是整个长江演化的重要转折点。其中,虎跳峡的贯通是长江第一弯最终形成的重要一环,是整个长江东流历史的起点。因此,虎跳峡的下切及其两岸玉龙雪山和哈巴雪山的相对隆升直接记录了金沙江的袭夺和长江第一弯的形成演化历史,很可能对应于南海周缘重大构造活动和物质来源的重大转变过程。鉴于此,本研究通过数字地貌演化模型(TTLEM)和岩石圈弹性挠曲模型(LIFFE)分别对虎跳峡及其两岸玉龙雪山和哈巴雪山的地貌演化过程和最终深部挠曲形变开展模拟分析。所获得的结果对长江第一弯的形成和水系袭夺过程具有重要参考价值,并由此对可能涉及南海大陆架构造演化和沉积物来源转变的动力学机制展开探讨。
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1 地质背景
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根据板块漂移古地理重建,自~50Ma印度和欧亚板块发生碰撞以来,板块之间的相对位移达到了~3000km(van Hinsbergen et al.,2011;Gibbons et al.,2015)。这些位移很大一部分由以喜马拉雅造山带为代表的构造缩短所吸收,另一部分则促使大量物质绕喜马拉雅东构造结发生大规模顺时针运移(Houseman and England,1993;Leloup et al.,1995;Tapponnier et al.,2001),从而形成了现今青藏高原东南缘离散型的构造地貌特点以及其上近南北向分布的水系特征(图1)。这种新生代以来物质运移的最大特点是伴随有板块的侧向挤出,如:印支地块和川滇菱形块体等,进而奠定了南海海盆现今的构造格局并造成大量陆源碎屑物质的涌入。
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与青藏高原东南缘其他近南北向分布的水系不同,长江上游金沙江段自青藏高原流出与澜沧江和怒江近南北向并行数百千米之后,至丽江石鼓镇流向突然向北东急转,形成了罕见的“V”型大拐弯(图1)。这一奇观被称为长江第一弯。在第一弯以南,红河发源于哀牢山的最北端,沿哀牢山-红河断裂带最终汇入南海,被认为是以往古金沙江的真正通道,被袭夺后形成了现今较小的水系流域。在石鼓镇发生流向重大转变后,金沙江在海拔高度5300~5600m的玉龙雪山和哈巴雪山之间侵蚀出了一条宽度仅30~80m的河道,称为虎跳峡。沿~15km长的虎跳峡,河拔高度最大达到~3800m,纵坡降达~14%,峡谷两侧岩壁陡峭。因此,虎跳峡的贯通代表了古金沙江的袭夺和长江第一弯的最终形成。
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区域构造上,长江第一弯、虎跳峡及其两岸的玉龙雪山和哈巴雪山处于大理断裂系的最北端(图2a)。该断裂系整体呈菱形样式,由一系列北西、北东和近南北向左旋走滑断裂及其相关的拉分盆地构成,显示出环喜马拉雅东构造结的物质运移引起的应力和应变分配的复杂性(Wang Erchie et al.,1998;Fan Chun et al.,2006;Shi Xuhua et al.,2018)。断裂系的东侧、北东、北西、西侧和南西边界分别由程海断裂、大具断裂、中甸断裂、剑川断裂和通甸断裂构成(图2a)。在大理断裂系北端,虎跳峡的贯穿揭示出由玉龙雪山和哈巴雪山主体构成的近南北向的背斜构造(图2b、c),其两翼分别由二叠系灰岩,石炭系至泥盆系大理岩、结晶灰岩和普通灰岩构成,至核部则主要出露一套与大拐弯附近石鼓杂岩相似的片岩和片麻岩。这一大型背斜的形成被认为与其内部出露的几条近南北向的逆冲推覆断裂有关,代表了当时区域内广泛的挤压缩短变形。逆冲断裂给出的活动时间为~17Ma(Lacassin et al.,1996)。因此,玉龙和哈巴雪山的隆升以及虎跳峡的初始下切被认为很可能形成于这一时期。尽管如此,随着近几年野外地质调查的深入,发现玉龙雪山和哈巴雪山东西两侧的边界断裂均具有明显的正断层活动性质(图2b;吴忠海等,2008;Kong Ping et al.,2010),尤其是通过河流阶地获得的山体隆升速率与正断滑移的速率近乎一致,表明山体的抬升和虎跳峡的贯通应该主要受边界正断层控制,发生于第四纪时期(Kong Ping et al.,2009, 2010)。这与以往认为大理断裂系进入第四纪以后以伸展变形为主的结论一致(Fan Chun et al.,2006)。
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2 模拟方法
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我们通过内嵌于TopoToolbox中的TTLEM程序对虎跳峡及其两岸玉龙雪山和哈巴雪山进行了二维地貌模拟(Schwanghart and Scherler,2014)。TTLEM是基于Matlab编写的地貌模拟程序,基于有限拆离河流下切模型,认为河流的下切直接作用于基岩且同时将侵蚀下来的物质直接从山坡上注入河流中,不考虑物质的搬运过程(Campforts et al.,2017),可以预先设定山体形状、规模、起始形貌、侵蚀性、山坡扩散率、整体的演化时间和演化阶段等。参考研究区实际,模拟范围为宽10km,长30km的矩形(图3a),起始高差为0±50m。模拟分为三种情况:① 起始年龄为2Ma,根据玉龙雪山和哈巴雪山周缘正断层的垂直滑移速率,将剥蚀速率设定为5.5mm/a;② 起始年龄为15Ma,根据第一弯周边低温热年代学结果,这一时期的剥蚀速率设定为0.5mm/a,区域整体抬升剥蚀(图3b);③ 将地貌形成过程分为两阶段,第一阶段起始于15Ma,结束于2Ma,整个剥蚀速率自上游至下游从0逐渐增加至0.5mm/a(图3c),随后,起始于2Ma,区域整体抬升剥蚀速率设定为5.5mm/a。模拟过程中其他参数参考了Yang et al.(2020)和Campforts et al.(2017),分别为:年龄步长0.05Ma,流域面积阈值1×103 m2,边界类型Dirichlet,侵蚀维度系数K值1×10-6 m0.1/a,水动力学参数m值0.45,n值1,扩散率D值0.03m2/a,岩土密度ρr/ρs比值1.3,坡度调节角度阈值S C值1m/m。
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地球物理剖面、钻孔测井和实验室仿真模拟均证实在受到垂直载荷发生弯曲的条件下,岩石圈上部呈现出类似刚性壳体的性质,从而长时间维持弹性应力(Brace and Kohlstedt,1980;Watts,2001)。鉴于此,以往研究提出了目前最为常用的两种模型用以解释地质历史时期地壳的应变方式(Montgometry,1994;Clark et al.,2006):① Airy均衡模型将刚性地壳描述为漂浮在软弱的地幔之上,且不考虑抗弯强度和材料力学性质,因此,区域的差异隆升取决于地壳的厚度和岩石密度;② 弹性挠曲模型认为垂直的支撑力和水平的伸缩张力在强硬的地壳和上地壳内均可以通过弹性应变发生传递,因此,应该考虑有限的弹性应力。考虑到在地质历史时期,Airy均衡将整个岩石圈上部的变形行为描述的过于简单,多用于对相关形变量的粗略分析,尤其是虎跳峡地区已被证实更适合于弹性挠曲模型(石许华等,2008)。因此,本研究通过有限元方法LIFFE对虎跳峡末期的下切和相关的玉龙雪山与哈巴雪山的隆升进行弹性挠曲形变模拟(Arnaiz-Rodríguez et al.,2020)。与以往弹性挠曲程序相比,LIFFE在模拟的过程中不仅考虑了块体内部的形变应力,还加载了对温度效应、有效弹性厚度、块体顶底面各种应力载荷的校正,因此,在复杂应力载荷系统的弹性挠曲变形恢复中表现出了良好的应用效果。
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图2 大理断裂系地质图(a)(据Fan Chun et al.,2006修改)、虎跳峡区域地质图(b) (据1∶20万丽江幅地质图修改)及横穿虎跳峡地质剖面图(c)
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Fig.2 Geological map of the Dali fault system (a) (modified from Fan Chun et al., 2006), geological map of the Tiger Leaping Gorge (b) (modified from 1∶200000Lijiang Geological Map) and geological cross-section of the Tiger Leaping Gorge (c)
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图3 虎跳峡地区TTLEM地貌模拟初始参数设定图
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Fig.3 Initial parameter settings for TTLEMgeomorphological simulation for the Tiger Leaping Gorge
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(a)—起始地形起伏;(b)—平均速率0.5mm/a整体抬升;(c)—自上游至下游抬升速率逐渐增加至0.5mm/a
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(a)—Initial topographic relief; (b)—integral uplift with average rate of 0.5mm/a; (c)—uplift with rate progressively increasing to 0.5mm/a from upper stream to down stream
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模拟过程中的基本参数如表1所示。根据地球物理探测的广泛结果,虎跳峡下部的Moho面深度被设定为50km(Ling Yuan et al.,2020;Xu Mijian et al.,2020)。鉴于在玉龙雪山上保存有以往高原隆升后的古残留面,因此,下切前的高度设定为4250m(石许华等,2008)。用以模拟的剖面宽度为26km,涵盖了虎跳峡及其两侧的玉龙雪山和哈巴雪山(图4a)。有限元计算网格设计为边长为0.25km的三角形,且在模拟过程中逐渐添加驱动、有效弹性厚度和底部支撑应力载荷(图4b、c)。本研究使用Free Airy和Bouguer重力异常以及地表起伏高程对模拟最终结果进行限定(Bonvalot et al.,2012)。
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图4 虎跳峡地区LIFFE弹性挠曲模拟参数设定
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Fig.4 Parameter settings of LIFFE elastic flexure modelling for the Tiger Leaping Gorge
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(a)—基于有限元模拟网格生成;(b)—有效弹性厚度修改结果;(c)—地表载荷修改结果
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(a)—Mesh generation of finite element simulation; (b)—effective elastic thickness after modification; (c)—flexion on top after modification
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3 模拟结果
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通过地貌模拟获得的三种不同情况条件下虎跳峡地区地貌演化结果如图5a~c。与目前的河流侵蚀地貌相比(图5d),自2Ma开始的河流下切演化,尽管下切速率较快,但是由于下切时间相对较短,因此,在地表上仍然残留了相对较多的起始平面(图5a),也就是保留了较多的残留面。剖面上,与现今河流相比,在河谷宽度上较为相似,但由于下切时间相对较短,因此,下切深度明显小于现今河流(图5e)。与之不同,自15Ma经历区域整体连续抬升剥蚀后,古残留面保留明显较少(图5b),较为符合区域目前的地貌样式。尽管如此,由于长时间的河流侵蚀,在剖面上,与现今河流相比,河谷宽度明显较宽,且深度较浅,形成了更类似于U型谷的剖面特征(图5e)。而自15Ma分别经历了2Ma前慢速侵蚀和2Ma后快速下切的模拟结果显示,无论是在地表地貌分布样式上(图5c),还是河谷剖面的宽度和下切深度上(图5e),均与现今河流最为相似。
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图5 虎跳峡地区不同情况条件下地貌模拟结果
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Fig.5 Geomorphology modelling results under different scenario conditions for the Tiger Leaping Gorge
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(a)—2Ma伊始的快速下切结果;(b)—15Ma伊始的慢速下切结果;(c)—15Ma伊始的两阶段下切结果; (d)—现今Google Earth地貌影像;(e)—不同情况条件下横穿虎跳峡的地貌剖面模拟结果
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(a)—Results corresponding to rapid incision since2Ma; (b)—results corresponding to slow incision since15Ma; (c)—results corresponding to two phases incision since15Ma; (d)—present-day geomorphology image derived from Google Earth; (e)—cross-section simulation results of different scenarios
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Free Air重力异常剖面在形态上(图6a)总体与虎跳峡地貌剖面的形态一致。相反,Bourguer重力异常在虎跳峡对应位置出现了明显的正异常现象(图6b)。因此,弹性层在发生挠曲前应该发生了局部的加厚隆升,与区域在中新世形成的背斜褶皱对应(Lacassin et al.,1996)。我们尝试了各种边界条件和不同样式的有效弹性厚度Te,但是,仅用单纯的岩石圈挠曲无论如何也无法模拟出与虎跳峡类似的深切形态和短波形起伏地貌形态,需要在虎跳峡两岸添加地表载荷(图4c),对应于由玄武岩和大理岩等构成的盖层。因此,最新的弹性挠曲阶段进一步加深了金沙江的切割深度,而在挠曲变形前已存在有初始的河流下切。在此条件下,我们进一步验证了发生弹性挠曲的平均厚度Te和是否存在深部上浮应力载荷(图6c)。结果显示仅考虑地表载荷和不同的Te并不足以获得现今观察到的重力异常剖面和地表地形剖面(图6d)。差异主要表现在地表挠曲明显低于现今的地形曲线。而在将深部上浮载荷逐级提升至-8.2×109 N后,结果得到明显改善(图6c)。在同时考虑地表载荷,深部载荷和水平变化的平均厚度Te条件下,我们分别调整Te厚度为5km、7km、10km、15km和20km开展地表挠曲和重力异常的模拟。结果显示当Te介于5~7km之间的条件时,结果匹配最佳(图6a~d)。这一结果与以往获得的川滇菱形块体西缘的平均Te厚度小于10km的结论一致(Zhao Xudong et al.,2021;Li Wei et al.,2021),而且与现今地壳观察到的低速高导层对应(Bai Denghai et al.,2010;Wang Xu et al.,2018)。较薄的Te也为区域发生岩石圈挠曲变形创造了良好的条件。
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挠曲模拟获得的剥蚀厚度介于3.0~3.1km之间。在最终挠曲变形之前发生的背斜褶皱和水平方向上Te的变化最终造成了虎跳峡下部相对较厚两侧较薄的有效弹性层(图4b)。这一纺锤形的Te变化与以往获得的虎跳峡地区的结果一致,对应岩石圈极强的力学各向异性(Chen Yun et al.,2013;Li Wei et al.,2021)。应力场显示虎跳峡底部具有较低的σ1和τmax值,表面具有较高的σ2值,从而导致了河流在这一阶段的进一步下切。而在虎跳峡两侧的玉龙和哈巴雪山上则对应在顶部具有较高的σ1和τmax值以及底部较低的σ2值,对应于两侧盖层在垂直方向上所产生的应力载荷。
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4 结果和讨论
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4.1 古金沙江的袭夺和虎跳峡的下切过程
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在过去十年,金沙江究竟是中新世以前便已发生袭夺东流还是自第四纪以来才开始东流一直存在较大争议。通过广泛分布于金沙江主支流河谷中的昔格达组河湖相沉积的物源追踪,Kong Ping et al.(2009)认为以往的古雅砻江流经至攀枝花后自东向西并入到南流的古金沙江中,而随着昔格达古湖的形成和切穿,南流的古金沙江发生袭夺,并最终向东流去。根据宇宙成因核素埋藏年龄,这一袭夺事件被确定在1.6~1.3Ma的更新世早期。类似地,根据江汉盆地沉积物的碎屑锆石U-Pb年龄物源识别和磁性地层年龄,长江上游和中游最终贯通以及三峡的切穿时代被限定在上新世晚期至中更新世之间(Sun Xilin et al.,2021)。本研究中基于TTLEM地貌模拟确实揭示出进入第四纪以来的一期快速下切事件(图5c)。正是由于这一期次的水系下切最终塑造了虎跳峡及其两侧高山深切峡谷和短波长地表起伏的地貌剖面特征(图5e)。尽管如此,弹性挠曲结果显示在最后一次挠曲引发的地表下切之前,虎跳峡已经经历了河流相关的侵蚀作用(图4c)。而地貌模拟结果则更倾向于这一造成虎跳峡最终贯通的这一侵蚀事件早在中中新世便已开始发生。
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图6 虎跳峡地区弹性挠曲模拟结果
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Fig.6 Elastic flexure modelling results for the Tiger Leaping Gorge
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(a)—不同T e条件下Free Air重力异常模拟结果;(b)—Bouguer异常模拟结果;(c)—深部应力载荷条件下地表挠曲模拟结果;(d)—无底部载荷条件下地表挠曲结果;(e)—主应力1剖面分布模拟结果;(f)—主应力2;(g)—最大剪切应力
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(a)—Modelling results of Free Air gravity anomaly under different T e conditions; (b)—modelling results of Bouguer gravity anomaly; (c)—modelling results of flexion on top with bottom loads; (d)—modelling results of flexion on top without bottom loads; (e)—profile distribution of major stress sigma1; (f)—profile distribution of major stress sigma2; (g)—profile distribution of maximum shear stress τmax
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另一方面,支持中新世前古金沙江便已遭受袭夺从而造成长江第一弯形成的主要证据并非直接来自于长江第一弯及其临近的虎跳峡,而是来自于现今长江中下游和以往流经剑川盆地的古河道,通过物源和地层年代分析获得的(Zheng Hongbo et al.,2013,2020; Zhang Zengjie et al.,2014;Gourbet et al., 2017;Clift et al.,2020)。这些证据主要包括:① 在长江下游,具有~23Ma沉积年龄的河流相砂岩具有与现代长江一致的碎屑锆石U-Pb年龄分布特征,代表了最早期东流长江的沉积证据;② 来自于以往古金沙江南流通道中剑川盆地、元江盆地和南海北缘沉积物的碎屑锆石U-Pb年龄指示自晚渐新世后,古金沙江不再南流流经这些区域(Clift et al.,2020;Zheng Hongbo et al.,2021)。可以看出以上这些证据基本都建立在碎屑锆石U-Pb定年的物源分析基础上。然而,Sun Xilin et al.(2021)最新通过碎屑钾长石和碎屑云母技术对长江下游相同地层砂岩重新进行了物源分析,却揭示出来自于长江上游的沉积物最早出现于晚中新世的不同结论。尤其是广泛分布于第一弯以南的这套碎屑沉积物究竟是否可以作为以往南流古金沙江的证据还需要进一步验证(Yan Yi et al.,2012)。此外,即使来自于剑川盆地和元江盆地的沉积物确实是以往古金沙江南流所携带而来的物质,也不能直接表明长江第一弯形成于早新生代。这是因为根据直观的水系地貌特征,Clark et al.(2004)曾经预测过青藏高原东南缘以往并流入红河最终注入南海的复杂水系系统,而其古河道与现今水系河道具有明显的差异。根据目前石鼓以南古河流沉积物的分布,Kong Ping et al.(2012)曾经探讨过古金沙江在到达现今长江第一弯所在的石鼓地区前便切穿云岭而南流的可能。因此,假如以往南流的古金沙江确实在早新生代便发生了倒转,此时的古河流也可能并未切穿虎跳峡或绕过了现今的大拐弯在其他地区发生了河流的袭夺。
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本次研究的地貌模拟结果显示自~15Ma后,经历两阶段河流下切作用的纵剖面与目前实际观察到的结果最为相近(图5c)。尽管基于TTLEM模拟获得的地貌演化历史的可靠性和准确性依然需要进一步的约束和检验(Campforts et al.,2017)。但是我们认为中中新世~15Ma前后发生的河流袭夺和最终第一弯的形成符合目前虎跳峡区域的相关研究结果,仍具有较强的可信性。首先,来自于虎跳峡背斜核部片岩的钾长石39Ar/40Ar坪年龄为17Ma(Lacassin et al.,1997),结合所在褶皱几何学和运动学分析,被认为代表了受区域整体近东西向构造缩短影响下的背斜形成时代。根据本研究弹性挠曲变形的模拟结果,这一背斜褶皱的形成还造成了T e局部的显著增厚(图4b),很可能引发了玉龙、哈巴雪山的局部抬升和古金沙江支流沿虎跳峡的初始溯源侵蚀。其次,青藏高原东南缘目前已发现了广泛的中新世河流下切作用,如:雅砻江~14Ma(Clark et al.,2005;Ouimet et al.,2010),澜沧江~10Ma(Replumaz et al.,2020),怒江＞10Ma(Shen Xiaoming et al.,2022)等。McPhillips et al.(2016)通过石鼓附近洞穴沉积物的埋藏年龄证实金沙江在18~9Ma期间经历了快速下切。这些结果表明青藏高原东南缘在中新世中晚期经历了一次统一的快速剥蚀事件,很可能与区域大规模的构造运动有关。最后,尽管青藏高原东南缘在晚渐新世经历了区域大规模的地壳缩短和抬升,形成了现今广泛出露的古高原残留面(Clark et al.,2006;Yang Rong et al.,2015;Cao Kai et al.,2019),并伴随有区域大规模的碱性岩浆作用(Gourbet et al.,2017)。但是,数值模拟显示这些古残留面仅代表以往局部的低侵蚀速率结果,与水系重组无关,而且与区域整体抬升相比,水系快速侵蚀的时间具有明显的滞后性(Yang Rong et al.,2015, 2020)。
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4.2 两阶段河流快速侵蚀对应的构造活动机制
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与广泛分布的古残留面相似,虎跳峡地区出露的片岩、片麻岩也记录了晚始新世至早渐新世期间整个青藏高原东南缘的地壳加厚和构造抬升(Lacassin et al.,1996)。以往研究认为这一期次的构造运动与川滇地体沿区域平坦的韧性滑脱层侧向挤出有关,造成了剑川盆地在此期间的快速剥蚀以及扬子地块元古代结晶基底沿哀牢山-红河断裂带的褶皱变形(Zhang Bo et al.,2017;Wang Yang et al.,2020)。与此对应的是,伴随着印支地块、川滇地块等物质沿青藏高原东构造结的东南向挤出与逃逸,南海海盆发生了初始的近S—N向扩张(图7a),西北陆缘在红河断裂带左旋走滑的牵动下,形成了张扭性质的应力场(雷超等,2011;Sibuet et al., 2016)。与之相比,青藏高原东南缘大型水系所记录的中新世下切则要明显迟滞于新生代早期的隆升,被认为是物质沿大型滑脱层向东南运移过程中,应力发生局部压扭的结果(图7b),从而形成了虎跳峡现今的背斜褶皱(Lacassin et al.,1996)。在临近第一弯的澜沧江,Replumaz et al.(2020)将这一时期的河流快速侵蚀归因于中甸断裂和帕隆断裂构成的大型左阶挤压阶区所造成的局部隆升。值得注意的是,这条断裂在空间分布上一直延伸至玉龙雪山和哈巴雪山西缘,并可能与第一弯南侧的剑川断裂相连(图2a)。这与剑川断裂在中新世表现出强烈的逆冲活动相符合(Cao Kai et al.,2019)。根据怒江低温热年代学研究结果,Wang Yang et al.(2018)则认为河谷中—晚中新世的下切与由离散变形向弥散变形的转换有关。此外,在长江第一弯以北广泛发育的中新世河流快速下切则直接被认为与区域断裂活动引起的隆升有关,很可能是受到中下地壳流动的影响(Clark et al.,2005)。相似的,Wang Yang et al.(2020)认为红河河谷在中新世的快速下切与红河-哀牢山走滑断裂在该时期具有逆冲分量有关,可能伴随有深部流性地壳物质的垂向挤出。与此同时,受到红河断裂走滑叠加逆冲作用的影响,南海海盆进入到了第二阶段的NW—SE向扩张,洋脊发生跃迁,形成具有NE向磁条带的新洋壳(Briais et al.,1993;李家彪,2011)。综上所述,与晚始新世至早渐新世的第一阶段区域隆升相比,中中新世开始的河流快速下切作用很可能处于地球动力学的转换时期。在这一时期,构成大理断裂系的大量断层开始或重新开始活动,表现为一系列走滑断裂活动伴随有垂向的逆冲(图7b)。因此,位于中甸断裂和剑川断裂转折端部位所发生的明显水平/垂直位错最终造成了古金沙江的袭夺和长江第一弯的形成。
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图7 古金沙江的袭夺和南海构造演化阶段模式图
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Fig.7 Sketch showing capture of the paleo-Jinsha River and the tectonic evolution of the South China Sea
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(a)—晚始新世南流的古金沙江水系和南海海盆近S—N向的扩张; (b)—中中新世古金沙江的袭夺和南海海盆NW—NE向扩张以及具有NE向磁条带的新洋壳
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(a)—South-flowed paleo-Jinsha River system and S—N expanding of the South China Sea basin during late Eocene; (b)—capture of the paleo-Jinsha River and NW—SE expanding of the South China Sea basin as well as the NE-trending magnetic lineations of new oceanic crust
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地貌模拟揭示虎跳峡经历了自第四纪~2.0Ma的第二阶段快速下切(图5c),弹性挠曲模拟显示这一阶段的剥蚀厚度达到了~3km。由此,虎跳峡自第四纪以来的平均侵蚀速率可以粗略估计为~1.5mm/a。这一结果明显小于其边界正断裂在第四纪晚期获得的~5.6mm/a的垂直滑移速率(Kong Ping et al.,2010),很可能暗示了虎跳峡自第四纪晚期以来进入了新一轮更为强烈的构造下切周期。在过去的几年里,越来越多的研究发现在青藏高原东南缘的大型水系中存在有第四纪早期开始的快速侵蚀事件。譬如,临近青藏高原东构造结,雅鲁藏布江峡谷和易贡河自~2Ma发生了加速侵蚀(Dai Jingen et al.,2021;Yang Rong et al.,2021)。沿三江地区,来自于谷底的低温热年代学样品揭示出区域自第四纪早期起始的快速下切(Replumaz et al.,2020;Shen Xiaoming et al.,2021)。沿四川盆地西缘,这一第四纪快速下切事件同样在大渡河、雅砻江和安宁河河谷中被证实(Ouimet et al.,2010;Yang Rong et al.,2020;Zhao Xudong et al.,2021)。根据本文的弹性挠曲模拟结果(图6e~g),虎跳峡地表具有高的σ2值,而在其两侧也就是玉龙和哈巴雪山底部则具有低的σ2值,显示出与地堑发育类似的地壳伸展变形条件。这一结果与大理断裂系在第四纪主要呈现伸展变形的结论一致(Fan Chun et al.,2006),而且符合现今在玉龙和哈巴雪上东麓观察到的明显正断作用(图2b;吴忠海等,2008;Kong Ping et al.,2010)。这种晚新生代由挤压转变为伸展的构造变形机制在青藏高原东南缘其他水系裂谷中也有广泛的记录(图8)。以往研究认为发育于雅鲁藏布江峡谷中的第四纪早期加速侵蚀与临近喜马拉雅东构造结的南北向裂谷有关(Dai Jingen et al.,2021)。在三江地区,广泛出露的由结晶杂岩构成的剪切带记录了晚新生代以来,尤其是第四纪以来由张扭性走滑引起的快速抬升剥蚀(Zhang Bo et al.,2017;Wang Yang et al.,2018;Wang Yang et al.,2020;Zhang Guihong et al.,2022)。
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值得注意的是,在空间上,这些新发现的第四纪快速侵蚀事件主要集中在30°N和26°N纬度之间。大多数研究者认为其是局部的水系重组或构造抬升的结果(Replumaz et al.,2020;Yang Rong et al.,2020, 2021;Dai Jingen et al., 2021)。然而,整个青藏高原东南缘广大地区均发现有这一第四纪时期的河流快速下切,表明这并不是一个局部事件。实际上,由于受到四川盆地和印度板块北缘恒河盆地的钳制,30°N和26°N纬度之间的廊带地区对应于整个青藏高原东南缘物质运移通道最为狭窄的地段(图8)。SIO V15.1地貌数据和EIGEN6C4布格重力异常显示喜马拉雅东构造结和四川盆地具有刚性的岩石圈和厚度达到50~100km的T e,因此具有相对较为稳定的内部结构(胡敏章等,2020);而在两个刚性块体之间却呈现出弱岩石圈的特点,且T e普遍小于15km,恰好对应于高导低速层所在的位置(Yao Huajian et al.,2010;Wang Yang et al.,2018)。因此,四川盆地和东喜马拉雅构造结阻挡了来自于青藏高原内部物质的顺时针迁移,堆积在两个块体之间的物质最终引起了青藏高原东南缘广泛的第四纪弹性挠曲和伸展变形。通过频散瑞利波和大地电磁的联合反演,青藏高原东南缘发现了两条低速异常和高电导率通道(Bai Denghai et al.,2010),暗示在这些通道及其附近存在有地壳深部物质的弱化和部分熔融,由此造成了T e的减薄。这也可以很好地解释模拟结果中虎跳峡下方呈现σ1和τmax低值(图6e~g)。进入到新生代晚期,伴随着由挤压到伸展的构造转换以及红河断裂带走滑性质的转变,南海北缘也进入到了左旋走滑应力场的控制(詹文欢等,2003),并最终形成现今的边缘海构造格局。
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图8 青藏高原东南缘主要活动断裂分布图(据Tapponnier et al.,2001修改)
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Fig.8 Map of the active faults of the southeastern margin of Tibetan Plateau (modified from Tapponnier et al., 2001)
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5 结论
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(1)基于TTLEM的地貌模拟和LIFFE的弹性挠曲模拟均揭示虎跳峡及其两侧玉龙和哈巴雪山构成的深切峡谷地貌形成于两阶段的快速侵蚀作用。而虎跳峡的切穿和长江第一弯的形成应该早在中新世中期(~15Ma)前后便已完成。古金沙江南流水系的袭夺对应于南海海盆第二阶段的NW—SE向扩张,造成了盆地沉积物供给的显著变化。
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(2)地貌模拟结果显示虎跳峡的第二阶段下切起始于第四纪(~2Ma)。LIFFE弹性挠曲模拟揭示出这一阶段的侵蚀厚度达到~3km,从此形成了现今狭窄深切的地貌特征。沿虎跳峡表面具有高的σ2应力值而其两侧底部具有低的σ2值表明这一时期的弹性挠曲变形发生于伸展的构造背景下。
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(3)古金沙江水系的重大重组和虎跳峡两阶段的快速下切分别与区域两期构造活动机制的重要转变对应。中新世中期,随着青藏高原东南缘物质持续的南东向运移,构造活动机制逐渐由单纯的沿滑脱层的侧向挤出转变为叠加局部的应力压扭,从而造成了沿虎跳峡分布的背斜褶皱以及古金沙江水系的袭夺。进入第四纪,由于四川盆地和东喜马拉雅构造结的阻挡,大量物质涌入到两者之间的狭窄通道,在局域引起了弹性挠曲变形,构造活动机制由压扭转变为张扭。伴随着红河断裂带在这一时期走滑性质的转变,南海北缘进入到左旋走滑的应力场控制时期,并最终形成了现今的边缘海构造格局。
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致谢:感谢Mariano Arnaiz-Rodríguez博士在数值模拟期间给予的帮助和建议,感谢两位评审专家审阅本文并提出了重要的意见建议。
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摘要
以往注入南海的古金沙江的袭夺及其相关的长江第一弯的形成不仅造成了南海一系列盆地内部充填物质的急剧变化,同时还记录了与南海北部边缘海扩张相关的构造活动机制的重大变革。尽管如此,由于缺乏直接证据,对于金沙江东流和长江第一弯形成的时间和机制还存在较大分歧。鉴于此,本研究通过TTLEM和LIFFE模型直接对虎跳峡的贯通和下切过程开展数值模拟分析。结果显示虎跳峡现今深切峡谷的形成是两阶段地表快速侵蚀的产物。而其初始的贯通应形成于中新世中期(~15 Ma)前后,和虎跳峡背斜的形成同期,与大理断裂系大规模走滑兼具逆冲运动直接相关。随后,进入第四纪(~2 Ma)以来,大理断裂系的构造活动由压扭转变为张扭性。虎跳峡由于地壳的弹性挠曲变形再次快速下切,剥蚀厚度达到~3 km,最终形成了现今的地貌样式。结合区域的其他研究结果,我们认为伴随着印度板块向欧亚板块之下持续的俯冲,青藏高原东南缘南东向的物质运移曾发生过一系列构造活动机制的重大转变,不仅引起了区域内断裂系统活动性质的转换,造成了大型水系的袭夺和重组,同时还与南海海盆的扩张和最终形成紧密关联。
Abstract
The capture of the Paleo-Jinsha River which once flowed into the South China Sea as well as the formation of the First Bend of the Yangtze River not only resulted in a sharp change of the filled materials in basins, but also recorded the tectonic movement mechanisms of the northern margin of the South China Sea. However, owing to shortage of direct evidences, the timing and origin of the east-flow river and the Great Bend formation is still debated. Thus, this study performed numerical modelling based on both TTLEM and LIFEE models to simulate the connection and incision processes of the Tiger Leaping Gorge. The results show that the present-day deep-cutting Tiger Leaping Gorge resulted from two phases of rapid exhumations. Its initial connection formed at ~15 Ma during the Mid-Miocene contemporaneous with the folding of the anticline along the Tiger Leaping Gorge, corresponding to the widespread large-scale strike-slip faulting with thrust component of the Dali fault system. Since Quaternary, deformation pattern shifted from transpression into transtension. The Tiger Leaping Gorge started a new rapid incision owing to the crustal elastic flexure with an exhumation amount of ~3 km, resulting in the sent landscape. Combining other results, we suggest that with the continuous underthrusting of the India Block to the Eurasia Block, several major changes in tectonic movement mechanisms have been triggered by the eastward material migration along the southeastern margin of the Tibetan Plateau. These major changes not only caused the shifts of faulting characteristics, resulting in the capture and reorganization of regional large-scale river systems, but also were related to the expansion and formation of the South China Sea.
