方解石U-Pb年龄与东昆仑断裂系统从逆冲推覆向左旋走滑运动转变的地质约束

《Global and Planetary Change》：Calcite U-Pb age and geological constraints on the transition from thrusting to left-lateral slip motion along the East Kunlun fault system

　　

摘要

东昆仑断裂系统（EKFS）的运动学演化对于理解印度—欧亚碰撞后青藏高原北部从地壳缩短向侧向挤出转变的过程至关重要。许多研究已利用低温热年代学来限定这一转变，但该方法记录的是冷却历史，而非直接定年断裂沿运动学变形。本文通过对东昆中断裂采样段构造期方解石的原位U-Pb定年，获得了22.1 ± 2.3 Ma的年龄，该年龄记录了一次斜向左走滑事件，并为该运动起始提供了最年轻年龄约束。结合区域地层学和热年代学数据（~23.6–20 Ma），该结果表明东昆中断裂带从逆冲向左走滑的转变发生在约22 Ma，但更早的未经定年的左走滑活动不能完全排除。断滑动分析表明该区域持续受到北北东—南南西向挤压，应力场中σ₁保持稳定，σ₂在逆冲期间近水平，在斜向左走滑期间近垂直。综合本研究结果与先前研究，我们提出东昆中断裂系统新生代构造演化多阶段模型：(1) 约26 Ma，地壳缩短；(2) 约22 Ma，从逆冲向左走滑转变，伴随走压隆升和牵引盆地形成；(3) 晚第四纪，牵引盆地消失，由活动左走滑断层相连。这种新生代多阶段构造演化形成了沿东昆中断裂带耦合的盆地—山脉系统，这可能暗示岩石圈过程促进了地壳增厚和重力势能增长，并沿先存各向异性发生局部化。

引言

近东西走向的东昆仑断裂系统（EKFS）是一条岩石圈规模的左走滑断裂系统，构成了青藏高原北部巴颜喀拉块体的东北边界，沿东昆仑造山带（EKOB）延伸约1600 km（图1a）（Tapponnier等，2001；Van der Woerd等，2002；Fu等，2005）。该断裂系统于新生代印度—欧亚碰撞期间沿古生代缝合带重新活化，作为大陆内部变形的主要调整构造（Molnar和Tapponnier，1978；Avouac和Tapponnier，1993；Fu和Awata，2007；Wu等，2019a）。晚始新世—渐新世期间，东昆仑造山带被认为以地壳缩短和逆冲作用为主（Mock等，1999；Wu等，2009；Clark等，2010；Wang等，2017；Wu等，2021a，Wu等，2021b），受北北东—南南西向挤压应力控制（Molnar和Stock，2009；Copley等，2010）。目前，东昆中断裂系统的活动分支以约10 mm/yr的滑动速率调整左走滑运动（Van der Woerd等，2002；Zheng等，2017；Wang和Shen，2020；Zhao等，2022；Diao等，2026）。沿东昆仑造山带构造样式从地壳缩短向向东挤出的转变反映了变形模式的改变（Duvall等，2013；Staisch等，2020）。限定东昆中断裂系统从地壳缩短向左走滑断裂转变的时间是理解青藏高原北部新生代构造—地貌演化的关键问题。

以往研究主要聚焦于低温热年代学（LTT），包括磷灰石裂变径迹（AFT）、锆石(U-Th)/He和磷灰石(U-Th)/He（AHe）分析、⁴⁰Ar/³⁹Ar定年及热历史模拟，以限定东昆中断裂系统的新生代构造演化（例如，Mock等，1999；Jolivet等，2001；Wu等，2009；Clark等，2010；Duvall等，2013；Wu等，2019b；Wu等，2021a，Wu等，2021b；Staisch等，2020；Li等，2021；Li等，2023a）。这些方法一致记录了晚始新世至渐新世期间北北东—南南西向的地壳缩短和逆冲作用（Wu等，2009；Clark等，2010；Wu等，2019b；Wu等，2021a，Wu等，2021b）。在东昆中断裂系统西段，记录了约30–25 Ma和约12–8 Ma的加速冷却事件，其中晚期事件可能记录了走滑断裂的起始，而早期脉冲更可能反映地壳增厚和逆冲作用（Duvall等，2013）。然而，该运动学转变的确切时间仍然难以限定，因为逆冲断层与走滑断层沿东昆中断裂系统近平行展布，且清晰的切割关系很少被保留。东昆仑造山带中段LTT数据显示约23 Ma的加速冷却，被解释为记录了向左走滑运动的运动学转变（Staisch等，2020）。相比之下，根据AFT热历史模拟推断的从逆冲向左走滑转变年龄显著更年轻，约为10 Ma（Chen等，2011）。Li等（2021）报道了东昆仑造山带北缘的AHe年龄，并将约25 Ma的加速剥露与向北逆冲的起始联系起来。他们后续在东昆仑造山带中段和东段的研究（Li等，2023a，Li等，2023b）提供了另一个视角：东昆中断裂系统的逆冲和左走滑运动在晚渐新世（~26–25 Ma）同时启动。这挑战了以往研究提出的序贯转变模型（Duvall等，2013；Staisch等，2020；Chen等，2011）。这些差异部分源于LTT方法的固有局限性（例如，Gallagher，2012；Reiners和Brandon，2006），因为这些数据记录的是区域冷却和剥露历史，而非直接定年断裂沿运动学变形。因此，这些数据无法精确限定东昆中断裂系统从逆冲向左走滑断裂转变的时间。

方解石U-Pb定年技术的最新进展为直接定年脆性断裂活动提供了一种关键方法（Ring和Gerdes，2016；Roberts和Walker，2016）。方解石与裂隙张开和断裂运动同步沉淀，所得结晶年龄可直接限定脆性变形的时间（Nuriel等，2017，Nuriel等，2019；Roberts和Holdsworth，2022；Tamas等，2023；Hippolyte等，2024；Jullien-Sicre等，2025）。该方法可直接定年与断层滑动相关的矿物沉淀，前提是通过对微观结构和阴极发光分析建立方解石生长与断裂运动之间清晰的运动学联系（例如，Nuriel等，2017；Smeraglia等，2021）。本研究采用构造期方解石U-Pb定年来解决东昆中断裂系统从逆冲向左走滑运动转变的时间问题。基于卫星影像的构造—地貌解译、野外地质填图及地层分析，我们选择了位于阿拉克—图苏湖段华石峡镇附近的一个合适的研究区域（图1b）。在该地区观察到清晰的走压断层组合，包括逆冲和左走滑断层，断层面上的构造期方解石擦痕纤维可直接对滑动事件进行U-Pb定年。这些良好限定的结构变形关系，结合区域地层学和热年代学分析，使我们能够限定东昆中断裂系统从逆冲向左走滑运动转变的时间。

部分片段

地质背景

东昆中断裂系统在新生代印度—欧亚碰撞期间沿古生代缝合带重新活化，自晚始新世以来调整了多次大陆内部变形事件（Molnar和Tapponnier，1978；Avouac和Tapponnier，1993）。这种多阶段运动学历史形成了复杂的构造格局，以叠加的变形结构和多样的岩石组合为特征（Pan等，2004；QBGMR，2009；Staisch等，2020）。或许最为完整的

采样与方法

基于区域地质填图、地层框架及遥感影像的地质解译，HSXF沿线的华石峡地区为探索运动学转变提供了极佳的露头条件。HSXF切穿中二叠统马尔格宗组（P₂m）碳酸盐岩，记录了清晰的逆冲断层和斜向走滑变形证据，既提供了适合构造期方解石沉淀的母岩岩性，又提供了钙源。详细的

微观结构分析

样品1F07由F₃断层面上采集的层状方解石擦痕纤维断层角砾组成（图5a）。在垂直于断层的薄片切面上，可辨识九个厚度不等、界限分明的生长层（图5b）。阴极发光（CL）图像显示交替的低发光和高发光带（图5b），每一带代表一个离散的世代（参考Hippolyte等，2024）。底部层直接与暗色角砾化的

东昆中断裂带从逆冲向左走滑运动转变的起始

可靠地限定从逆冲向左走滑转变的时间需要同时具备记录运动学转变的变形结构和可直接定年的构造期矿物。区域地质填图和野外构造分析（图4，图7，图9）、构造期方解石微观结构表征以及原位U-Pb定年（图5）的结合，为直接定年东昆中断裂系统采样段斜向左走滑运动提供了独特机会，并且，

结论

HSXF构造期方解石新的原位U-Pb年龄为22.1 ± 2.3 Ma，为东昆中断裂系统斜向左走滑提供了最年轻年龄约束。结合区域地层学和热年代学证据，该结果表明东昆中断裂系统从逆冲向左走滑的运动学转变发生在约22 Ma，但更早的未经定年的左走滑活动不能完全排除。断滑动分析表明

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致谢

我们衷心感谢两位匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见极大地提高了论文的质量。我们感谢曹先生在野外调查期间提供的卓越后勤保障和驾驶协助。我们感谢高级工程师吴石头在LA-ICP-MS分析方面提供的专业技术支持。我们还感谢杜佳鑫博士和陈清宇博士就早期

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