对岩石进行“DNA”分析—祁连山北缘新生代地层物源揭示及其构造意义

现今的青藏高原形成于欧亚大陆与印度大陆于新生代以来的碰撞、拼合以及后续的持续汇聚挤压（Yin and Harrison, 2000; Ding et al., 2022），这一过程造就了南北跨越数千公里的青藏高原（图1a）。青藏高原何时以何种方式扩张到目前这一状态一直是地球科学家关注与研究的焦点，并提出诸多模型用以解释其形成过程（Powell, 1986; England and Housemann, 1986; Zhao and Morgan, 1987; Bird, 1991; Clark and Royden; 2000; Tapponnier et al., 2001; Royden et al., 2008; Wang et al., 2008）。上诉这些青藏高原扩张机制的分析，可以大致总结归纳为三种：（1）青藏高原自南向北逐步扩展（England and Housemann, 1986; Tapponnier et al., 2001）；该机制认为自欧亚大陆与印度大陆新生代碰撞以来，青藏高原自南而北逐步隆升和向北扩展。据此推测，青藏高原东北缘地区新生代以来的隆升年代相对于高原南部是更年轻的；（2）青藏高原整体同步隆升（An et al., 2020）；该观点认为整个青藏高原自新生代欧亚大陆与印度大陆碰撞以来，经历了整体隆升过程，即整个高原的隆升是近同时的。据此推测，青藏高原东北缘地区新生代的起始隆升年代与南缘陆陆碰撞的年代是近乎同时的；（3）青藏高原自中部向南、北缘分别扩张（Wang et al., 2008; Ding et al., 2022）；该机制认为新生代以来青藏高原于中部最先隆升，随后自高原的中部分别向南、北方向扩展。据此推测，青藏高原东北缘地区新生代以来的隆升年代相对于高原中部是更年轻的。以上总结的三种扩张机制对高原东北缘新生代的隆升年代与高原中部和南部隆升年代的关系都做出了相应的预测。因此，获得青藏高原东北缘的隆升时间可为以上三种机制提供关键证据之一。

青藏高原东北缘西以阿尔金断裂为界，东以六盘山褶皱逆冲带为界，东西横跨约1300 km；南以柴北缘逆冲断裂系、青海南山和西秦岭北缘断裂为界，北以祁连山北缘逆冲断裂、海原断裂为界，南北宽约350 km（图1b）。在此范围内，不同学者以直接或者间接的研究手段开展了大量关于其内部各山脉于新生代的隆升年龄研究，获得了大量研究结果。一些研究结果认为青藏高原东北缘内部的一些山脉在印度-亚洲板块碰撞后不久便经历了隆升，即经过~10 m.y.，迅速响应（Clark et al., 2010; Clark, 2012; Duvall et al., 2011; Qi et al., 2016; Zhuang et al., 2018; An et al., 2020；Li et al., 2020; 张怀惠等, 2021；陈国明等，2024）；另有研究表明，该地区的隆升起始于~30 Ma（Wang et al., 2022）；大量由逆冲断裂控制的新近纪盆地的出露和约20-10 Ma的低温热年代学结果表明，青藏高原东北缘许多现今山脉的格局奠基于中新世（Fang et al., 2005; Zheng et al., 2006, 2010, 2017; Lease et al., 2011, 2012; Craddock et al., 2011; Hough et al., 2011; Zhuang et al., 2011; Zhang et al., 2012; Duvall et al., 2013; Yuan et al., 2013; Li et al., 2019, 2020; 张怀惠等, 2021; 陈国明等, 2024）。综上所述，青藏高原东北缘的隆升历史依然存在争论，隆升起始年龄的结果从古新世到上新世不一。

以上结果的获得主要是基于直接测定山脉隆升年龄的低温热年代学结果，以及部分新生代沉积盆地的磁性年代学结果。在盆地中，根据物源分析，由附近山脉侵蚀和河流搬运的沉积物可以记录山脉隆升历史的精确信息。对保存在沉积物中的碎屑锆石进行单颗粒U-Pb定年是追踪物源的一种强有力的方法，因为它可以对具有独特锆石年龄群的源区进行类似于“DNA”的鉴定。

本项目以祁连山北缘新生代地层为研究对象，对所采集的沉积岩样品提取其中的碎屑锆石，对碎屑锆石进行U-Pb同位素年代学分析。将获得的年龄结果与已有的碎屑锆石U-Pb年龄谱进行对比分析，获得物源信息。同时结合研究区低温热年代学研究磁性地层学以及高原东北缘新生代构造变形时间的研究，建立新生代沉积－构造演化过程，对高原新生代变形过程和生长机制进行有效的限定。

                                                

图1 (a)青藏高原及邻区地形地貌图. 白色矩形框表示图1b的位置. (b)叠加于地貌图之上的祁连山及邻区的主要新生代构造和地震活动. 构造信息引自Yuan等(2013)和Allen等 (2017).黑色小点表示的是发生于1980年至2019年的背景地震事件，数据下载自美国地质调查局网站.蓝色和粉色的粗虚线表示北祁连缝合带. ALF：阿尔金断裂；NBT：北边界逆冲断裂；HLSF：合黎山断裂；LSSF：龙首山断裂；NQLF：祁连山北缘断裂；TJSF：天景山断裂；HYF：海原断裂；RYSF：日月山断裂；QHNSF：青海南山断裂；NQTS：柴达木盆地北缘逆冲系.

1. 碎屑锆石U-Pb年龄数据处理

将LA-ICP-MS测试分析获得的单个碎屑锆石颗粒U-Pb同位素年龄数据，利用数据处理软件拟合锆石 U-Pb 年龄，获得年龄结果。

2. 物源分析

锆石稳定的结构，能在漫长的地表作用过程中完整的保存下来，作为物源分析的对象，具备一定的优越性（图2）。将获得的年龄结果与已有的碎屑锆石U-Pb年龄谱进行对比分析，示踪碎屑锆石物源变化，并结合地层年代数据，可以进一步得出物源区山体剥蚀历史及隆升年代。

                                                                  图2 碎屑锆石物源示踪示意图

3. 构造演化讨论

将本项目研究结果与前人对祁连山的研究成果进行总结，进行系统的新生代地层碎屑物源分析和源区隆升剥露分析。其次，在祁连山综合分析基础上，对青藏高原东北缘新生代构造变形的时间进行总结与对比，找出高原东北缘新生代构造事件发生时间的规律，并依此对高原东北缘新生代变形和高原生长过程与机制进行探讨。

碎屑锆石富含放射性元素U和Th，普通Pb含量很低以及非常高的物理和化学稳定性，不易受到变质、沉积旋回和成岩作用的破坏，同时具有高的U-Pb封闭体系（>800℃），是进行U-Pb测年的理想选择对象。目前锆石U-Pb测年方法有单颗粒微量热电离质谱法（TIMS）、激光剥蚀等离子质谱法（LA-ICP-MS）和二次离子探针质谱法(SIMS)；二次离子探针质谱法包括高精度高分辨率离子探针质谱法（SHRIMP）和 Camera IMS 1270或 1280 型离子探针两种方法（资锋等，2010）。 随着这些微区分析手段的发展，使得研究者可以快速获取大量的碎屑锆石 U-Pb 年龄数据。

碎屑锆石 U-Pb 年代学已经广泛应用于地学研究中，其应用方向大致可归纳为最大沉积年龄分析、物源分析和构造演化分析，分类依据是研究的侧重 点不同，最大沉积年龄分析侧重于沉积区的研究，物源分析侧重于未知源区的研究，构造演化分析主要揭示构造运动的演化历史。例如：Tucker et al.（2013）对Winton地层不同层位及含化石层中碎屑锆石进行U-Pb 年代学测定，并根据不同算法所得年龄综合分析，得出Winton地层及其中的动植物化石开始沉积于早土伦期到阿尔必—塞诺曼期交界范围，提高了地层的年代精确度。刘超等（2014）和孙蓓蕾等（2014）对太原西山地区地层进行研究，利用碎屑锆石U-Pb年代限定了该地区晚石炭世—早三叠世上太原组、山西组、石盒子组、石千峰组、刘家沟组各自的沉积时间，并据此判断石炭系—二叠系、二叠系—三叠系的界线。

Wang et al., (2016) 对源自北山和祁连山的现代河流分别进行了碎屑锆石的采样，进行了单颗粒锆石U-Pb年代学的分析，并制作了锆石的年龄谱（图3）。这一结果提供了源自北山与源自祁连山的碎屑锆石的年龄分布特征。而从年龄谱可以明显看出，来自祁连山与来自北山的碎屑锆石年龄存在显著差异。这一结果为我们后期分析本项目碎屑锆石单颗粒U-Pb年龄结果提供了很好的参考。

                             图3 源自祁连山(QL1-QL2)和北山(BS2-BS3)现代河流的碎屑锆石U-Pb年龄谱 

1. 本项目以祁连山北缘新生代地层为研究对象，通过碎屑锆石 U-Pb 年代学揭示祁连山新时代地层年龄数据，是对该地区新生代地层的构造演化的一次系统探讨。

2. 项目拟以祁连山北缘的新生代地层，按照地层分组和潜在物源区等进行系统的碎屑锆石U-Pb年龄测试。同时结合研究区低温热年代学研究磁性地层学以及高原东北缘新生代构造变形时间的研究，建立新生代沉积－构造演化过程，对高原新生代变形过程和生长机制进行有效的限定。

拟解决的问题

1. 研究区新生代沉积物源转变；

2. 研究区及周缘地区的新生代隆升剥露过程。

技术路线

1. 基于碎屑锆石U-Pb年龄的沉积物源分析

物源分析是分析构造-沉积演化的重要手段，本项目拟以祁连山北缘的新生代地层，按照地层分组和潜在物源区等进行系统的碎屑锆石U-Pb年龄测试，确定 碎屑锆石颗粒年龄分布特征。之后，结合前人关于研究区的研究成果，通过基于统计学原理的碎屑锆石U-Pb年龄分布特征的各类对比，分析研究区新生代沉积物源的转变过程。

2. 沉积-隆升耦合关系分析

沉积与造山带隆升构成耦合系统。通过前述沉积物源转变的沉积演化分析，结合低温热年代学结果反映的区域新生代造山带隆升剥露过程，可以有效建立两者关系，从而确立祁连山北缘新生代沉积-山脉隆升演化过程。

3. 青藏高原东北缘新生代构造演化分析

根据本项目研究结果并结合已有的研究结果，对青藏高原东北缘新生代的构造演化过程进行综合分析，建立青藏高原东北缘新生代隆升序列。

预期成果

发表一篇研究论文。

本项目拟分为以下四个阶段进行：

1.前期准备（2024.6-2024.7）：查阅资料，整合已有成果，深入学习碎屑锆石U-Pb年代学。

2.碎屑锆石U-Pb数据处理（2024.7-2024.9）：对已经完成LA-ICP-MS测试分析的碎屑锆石数据，进行处理，获得单颗粒锆石的U-Pb年龄。

3.碎屑锆石年龄谱对比分析（2024.9-2024.10）：根据获得的单颗粒锆石的U-Pb年龄，进行统计学分析，并与研究区已有的年龄谱进行对比分析，获得新生代地层物源相关信息。

4.整理成果（2024.11-2025.5）：撰写并发表论文，完成项目总结报告。