碎屑锆石U-Pb测年与裂变径迹双重定年方法对龙门山地区抬升历史的约束：对原始青藏高原演化的新认识

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Detrital zircon U Pb and fission track double dating constraints on the exhumation history of Longmen Mountains: New insights into proto-Tibetan Plateau evolution

该研究通过碎屑锆石U-Pb和裂变定年法重建龙马山中生代至新生代抬升历史，并与青藏高原其他构造体系对比，揭示高原边缘同步抬升及形成广泛中生的原型高原系统的证据。

　　

徐琳|韩思宇|吴琳|马克·乔利韦|刘东亮|吴中海|刘卫明|刘静-曾

中国三峡大学土木与建筑工程学院，宜昌443002，中国

摘要

由于难以确定青藏高原的古地形演化过程，中生代原始青藏高原的存在仍是一个持续争论的话题。本研究选择位于青藏高原东缘的龙门山-四川盆地系统作为研究对象，以探讨这一问题。通过对四川盆地西南部石羊段白垩纪-古近纪砂岩样本进行系统的碎屑锆石U-Pb测年和裂变径迹双重测年分析，旨在：（1）重建龙门山的中新生代剥露历史；（2）通过与其他系统（如西昆仑-塔里木、阿尔屯-喀喇昆仑和祁连山-河西走廊）的比较研究，探索青藏高原的中生代构造演化模式。四川盆地西部石羊段的白垩纪地层显示出一致的碎屑锆石U-Pb年龄分布（n = 388），具有五个明显的年龄峰值：晚古生代-早中生代（约252–217 Ma）、早古生代（约467–432 Ma）、新元古代（约779–732 Ma）以及古元古代-新太古代（约1812–1675 Ma和约2540–2400 Ma）。此外，古近纪地层包含五个主要年龄簇（n = 290）：约275–247 Ma、约430–407 Ma、约807–622 Ma、约1770–1675 Ma和约2430 Ma。这些结果表明，石羊段白垩纪和古近纪地层中的碎屑锆石主要来源于龙门山和东松潘-甘孜复理石褶皱带。对石羊段白垩纪至古近纪地层中678颗碎屑锆石颗粒的分析揭示了多个岩浆年龄群，锆石裂变径迹年龄集中在不同的区间，包括新元古代（658–595 Ma）、古生代（488–363 Ma）、晚古生代（313–259 Ma）和中新生代（245–31 Ma）。锆石裂变径迹年龄峰值跨越新元古代至古生代（658–259 Ma）区间，记录了扬子克拉通西缘的龙门山造山作用前的热事件。中新生代锆石裂变径迹年龄峰值（245–31 Ma）记录了龙门山的阶段性剥露过程，共识别出三个主要阶段。最早阶段（245–223 Ma）对应于由古特提斯俯冲驱动的印支造山作用，随后是（187–86 Ma）与古太平洋背弧压缩和新特提斯俯冲相关的燕山造山作用。最年轻阶段（64–31 Ma）反映了印度-亚洲碰撞导致的喜马拉雅造山作用。结合已发表的数据集，这些结果为原始青藏高原北部、东北部和东部边缘的中生代同步剥露提供了证据。综合数据集揭示了一个广阔的中生代原始高原系统（宽度超过1000公里），其特征是地壳增厚（超过50公里）和地形抬升（超过1000米），该高原系统形成于早白垩世的羌塘-拉萨碰撞之后。

引言

作为地球上平均海拔约4500米的最高高原，青藏高原对东亚地区的地貌格局（Jolivet等人，2001；Liu-Zeng等人，2008）、气候系统（Guo等人，2002；Clift等人，2008）、生态系统（Deng和Ding，2015；Su等人，2020；Cao等人，2025）、排水系统演化（Clark等人，2004；Lin等人，2025a）以及人类迁徙（Chen等人，2015）产生了深远影响（图1a）。其剥露过程长期以来一直是地球科学的前沿课题（Dewey等人，1988；Chang等人，1989；Roger等人，2004；Rowley和Currie，2006；Wang和Meng，2009；Hu等人，2015；Cheng等人，2016a；Ding等人，2022）。尽管已经对青藏高原的新生代演化进行了系统研究，但对于是否存在中生代高原这一关键科学问题仍存在很大争议（Burchfiel等人，1995；Royden等人，2008；Roger等人，2010；Liu等人，2013；Cao等人，2015；Jolivet等人，2015；Kapp和DeCelles，2019；Li等人，2023a；Spicer等人，2021；Zhang等人，2025；Zhu等人，2025）。这种争议主要源于以往的研究集中在高原的局部区域，难以全面揭示这个跨越2.5×10^6平方公里的巨大地质特征的中生代演化特征。（见表1。）

低温热年代学是重建造山带剥露历史的有效工具（Gallagher等人，1998；Liu等人，2017；Liu-Zeng等人，2018；Reiners和Ehlers，2018；Li等人，2020a；Sun等人，2022；Wu等人，2023；Jolivet，2024；Pang等人，2025；Han等人，2026），包括磷灰石裂变径迹（AFT；封闭温度约110°C）、磷灰石（U-Th）/He（AHe；约75°C）、锆石裂变径迹（ZFT；约240°C）和锆石（U-Th）/He（ZHe；约180°C）等方法。然而，由于封闭温度较低，AFT和AHe方法主要记录造山带的后期构造-热事件（Kirby等人，2002；Godard等人，2009）。虽然ZHe测年可以保留造山带基底岩石的较老冷却信号，但其统计可靠性经常受到每个样本可测年碎屑颗粒数量有限的限制，这可能是由于分析成本高或对颗粒质量要求严格（Reiners等人，2005；Dunkl等人，2024）。锆石裂变径迹方法的封闭温度约为240°C，对晶体质量不那么敏感，且成本较低，允许对每个样本进行大量单颗粒分析，从而为研究造山带的长期剥露历史提供了独特优势（Bernet和Garver，2005；Perry等人，2009；Dias等人，2018；Lu等人，2020；Lin等人，2022）。

地球动力学中的一个关键区别是，地表抬升（指地球表面相对于固定基准如海平面的上升）并不一定等同于剥露，剥露是指通过侵蚀和/或构造剥露将深埋岩石带到地表的过程（Reiners和Brandon，2006）。正如Jolivet等人（2007）所强调的，即使在缺乏显著剥露的情况下，特别是在干旱的内陆大陆内部，也可能发生显著的地表抬升。这一现象在青藏高原的内部地区表现得最为明显（Tapponnier等人，2001；Ding等人，2022）。然而，青藏高原及其周边盆地（如塔里木盆地、河西走廊、鄂尔多斯盆地和四川盆地）代表了典型的盆地-山脉耦合系统（Yin和Nie，1996；Wang等人，2014a；图1b）。这些盆地中的碎屑沉积物保留了相邻造山带演化的直接记录（西昆仑山、阿尔屯山、祁连山和龙门山），为理解青藏高原在中生代的整体发展提供了关键约束（Ritts和Biffi，2001；Lin等人，2011；Deng等人，2013；Shen，2018；Cheng等人，2019；Jia等人，2020；Liu等人，2021；Wang等人，2023）。近年来，对锆石原位U-Pb和裂变径迹年龄的综合分析已成功应用于塔里木盆地（Cao等人，2015）和河西走廊（Lin等人，2024a）的研究，为解读西昆仑山和祁连山的长期剥露历史提供了新的证据。然而，对四川盆地的研究仍然有限，因为现有的龙门山低温热年代学研究主要使用AFT和AHe数据，并集中在晚新生代构造活动上（Kirby等人，2002；Wallis等人，2003；Wang等人，2012；Cook等人，2013；Deng等人，2013；Tian等人，2013；Jolivet等人，2015；Zheng等人，2016；Tan等人，2017；Shen等人，2019；图2a）。

本研究系统地对四川盆地西南部年代明确的白垩纪-古近纪地层进行了综合的锆石U-Pb-FT分析（图2b，c），这些地层具有完整的沉积序列和精确的年代地层学（Shen，2018）。研究目标是：（1）重建龙门山的中新生代剥露历史；（2）通过与西昆仑山（塔里木盆地）、阿尔屯山（喀喇昆仑盆地）和祁连山（河西走廊）的比较研究，探索青藏高原的中生代构造演化模式。

章节摘录

龙门山

龙门山呈东北-西南走向，全长约500公里，宽50–30公里（图2a），是青藏高原和四川盆地之间的构造和地貌边界（图1b）。该带具有复杂多样的地层序列（图3），包括前寒武纪结晶基底、震旦纪-泥盆纪低级变质岩、志留纪碎屑沉积物、泥盆纪-中下三叠纪碳酸盐岩以及上三叠纪碎屑岩

采样

在石羊段，我们收集了7个新鲜、未风化的白垩纪至古近纪砂岩样本。采样层位包括（图2c，4）：一个来自天马山组（K1t），两个来自家关组（K2j），一个来自关口组（K2g），一个来自古新世-始新世明山组（E1–2m），以及两个来自始新世-渐新世庐山组（E2–3l）。为确保分析的可靠性，大约收集了5公斤的沉积物

结果

锆石的Th/U比值已被确立为区分岩浆生长环境和变质生长环境的可靠地球化学指标（Rubatto，2002；Hoskin和Schaltegger，2003；Yakymchuk等人，2018）。在我们的数据集中，超过99%的锆石显示出Th/U比值大于0.1（图8），这与主要为岩浆来源一致。这有助于区分不同的热构造事件，从而增强了后续年龄解释的有效性。

沉积物来源

在造山剥露过程中，山脉带经历持续侵蚀，产生碎屑物质，这些物质随后被运输并沉积在相邻的前陆盆地中（Willett，1999；Najman，2006；Francovschi等人，2021；Liang等人，2024；Rahim等人，2025）。古流向分析是确定沉积层与造山带之间来源关系的关键工具。远离造山带的古流向表明

结论

对白垩纪-古近纪砂岩样本进行的碎屑锆石U-Pb测年和裂变径迹双重测年为龙门山的构造演化提供了新的见解。将这些结果与已发表的数据结合起来，我们得出以下关键结论：

(1)

来自四川盆地西部石羊段的碎屑锆石U-Pb数据显示，在白垩纪（n = 388）和古近纪（n = 290）地层中都存在一致的来源信号。共享的碎屑锆石年龄峰值（约252–217 Ma、约467–432 Ma

CRediT作者贡献声明

徐琳：撰写——初稿、研究、资金获取、概念构思。韩思宇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。吴琳：软件、方法论。马克·乔利韦：撰写——审稿与编辑。刘东亮：可视化、监督。吴中海：正式分析。刘卫明：验证、监督。刘静-曾：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。

未引用参考文献

Soares等人，2014

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号41972212、42030305、W2411033）和湖北省楚天学者计划研究基金（编号8210403）的财政支持。