西藏南部埋藏峡谷揭示出构造对雅鲁藏布江大峡谷的控制作用

西藏南部埋藏峡谷揭示出构造对雅鲁藏布江大峡谷的控制作用

Ping Wang 1, Dirk Scherler *2, Jing Liu-Zeng 1, Jürgen Mey 3,

Jean-Philippe Avouac 2, Yunda Zhang 4 and Dingguo Shi 4.

1State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, P. R. China.

2Division of Geological and Planetary Sciences, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA. 3Institute of Earth and Environmental Sciences, University Potsdam, 14476 Potsdam, Germany.

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Chengdu Engineering Corporation, Chengdu 610072, P. R. China. 摘要: 喜马拉雅山被数条地球上最深、最显著的峡谷所切割。探讨河流下切和岩石隆起之间相互作用的关系对理解该地区构造变形具有重要意义。本文报道关于目前在喜马拉雅东端埋藏在>500米沉积层之下的雅鲁藏布江大峡谷的发现。对原来河谷充填底部沉积的重建表明，雅鲁藏布江峡谷从2-2.5Ma 前开始变陡是由于岩石加速隆升的结果。因此，在峡谷内的高侵蚀速率是岩石快速抬升的直接结果。

一句话总结：埋藏的峡谷揭示雅鲁藏布江峡谷坡度变陡是由于东喜马拉雅构造结自~ 2.5 Myr 岩石加速隆 升的结果。

山脉的地貌演化是构造和侵蚀的共同作用的结果（1-3），控制了河流和大气环流系统（4-6）。虽然构造与侵蚀有着相反的作用效果，但可能存在相互耦合的反馈作用（7,8）。喜马拉雅的两端构造结地区是典型例子，两条流经西藏最大的河流——印度河和雅鲁藏布江，在年轻的变质地块中切出深峡谷（图1A ；11-17）。有学者提出构造动脉瘤模型，认为在这些峡谷中快速下切使地壳受到热弱化，现在抬升和侵蚀之间的仍然有正反馈（9,10）；但它如何以及何时发生，仍然不清楚。

在整个喜马拉雅存在深切的峡谷，总是与快速岩石隆起和下切区的陡峭河流坡度相一致（18-20）。在喜马拉雅，或可能在地球上，最壮观和最具代表性的峡谷是雅鲁藏布江大峡谷，那里的雅鲁藏布江海拔高度下降2公里，在穿过宽~50公里的东喜马拉雅构造结，侵蚀率异常地高（图2B ）。雅鲁藏布江从西藏高原流出越过其东边缘时，河道陡峭、扭曲，被认为是在最近地质时期被向上游溯源侵蚀的布拉马普特拉河所袭夺的证据，袭夺位置是藏布江过去与帕隆藏布、易贡藏布汇合的地方，这2条江可能曾与更东部的河流相连（5,6,9,18）。然而，喜马拉雅前陆盆地沉积物源研究认为，中新世中期之前雅鲁藏布江与布拉马普特拉河就已经是连接在一起了（21-23），有力地表明了峡谷的稳定性。最近有人发现在堵塞河流的冰坝后方的峡谷上游存在大量湖泊沉积，因而提出第四纪冰川坝作用曾阻碍了布拉马普特拉河侵蚀向上游西藏高原内部的扩展（24），可能有助于引发岩石快速隆起（25）。

在进入峡谷之前，藏布江有300 Km 长度流过宽阔的冲积平原，然后与来自北部的尼洋曲汇合，汇合前藏布江逐渐变宽（图2 A ）。在坝的上游有河流汇入中国地震局

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的湖泊，常见到这样的朝下游方向变宽现象。在汇合点与藏布江峡谷之间，冲积平原再次变窄。最近在雅鲁藏布江钻探的5个钻孔（图1C ）证实存在很厚的沉积充填，每个钻孔都靠近河谷中心，穿过不同厚度的未固结沉积到达基岩，在上游最远的1号钻孔，基岩深度约70 m ，上游距与尼洋曲汇合点80 Km 处的3号孔基岩深度最大为567 m ，在河谷狭窄部分分别距离峡谷40 Km 和20 km 的4、5号钻孔，基岩深度分别为510 m 和230 m 。

河谷两边的山坡较陡，平均坡度~ 30º，与峡谷下游山坡相似，属于稳定的临界坡度（14）。将雅鲁藏布江和尼洋河汇合点山坡投影到地下，得到估计的基岩深度~1000 m （图2A ），那里河底最宽。假定河谷充填以下的山坡与河谷充填以上的山坡相似，我们用人工神经网络方法（26）重建了到基岩的估计深度的连续图（图1C 和图2A ），估计的深度与钻孔岩芯观察结果很接近，说明重建结果是可信的，证实我们起初所说的原来的河谷底部的高度随着朝着接近藏布江-尼洋曲汇合点逐步减小。从河流汇合点再向下游更远处，藏布江河床仍然是4 Km 宽，有很深的沉积充填（图2A ）,直到离开雅鲁藏布江缝合带（IYZS ），突然变窄<2.5 Km ，因为在河谷充填最深段不存在明显的朝其它河谷的溢流，我们认为当时的雅鲁藏布江是沿着现在的河道流动，南迦巴瓦和加拉白垒块体的隆起造成上游河段的向后充填以及峡谷河床变陡（图S4）。

从最靠近峡谷的3个钻孔（3-5号，图1C ，2A ）的岩芯看，出露的沉积由碎屑组成，主要是砾卵石和砂构成的河流沉积，3、4号钻孔下半部的颗粒较粗大，含有直径达50 cm 的巨砾，上半部主要是很细的砂层与亚粘土粉砂层，可能源于湖期（图2A ；表S1）。这个向上变细序列表示一个水动力降低，与雅鲁藏布江峡谷上游回填期的低坡度相符。但这些上部细砂层在5号钻孔不存在，该钻孔靠近峡谷，位于120 m 以下，可能与在隆起和峡谷下切期间受到侵蚀相关 (Fig.S4)。我们从3号钻孔岩芯底部附近采集了3个样品，用原地形成的10Be 和26Al 测定宇宙成因核素（26）的年龄，（样品采自561-564 m 的深度的砂层，其下面是3米厚的巨石砾石沉积，再下面是片麻岩基岩）。3个样品得到一致的结果，它们不确定性范围内的重叠（表S2），表明采样点的沉积是从2-2.5Ma 前开始的（图S5和S6），由于3号钻孔位于峡谷上游~150 Km 处，沉积可能不会立即开始，峡谷的隆起和变陡开始可能会更早些。

雅鲁藏布江峡谷变陡可能是岩石隆升速率加快或侵蚀效率降低的结果。采自峡谷基岩的多种矿物的冷却年龄一致显示岩石抬升速率的增加开始于〜4Ma 前（图2C ，11-13）。如果在过去2-2.5 Ma 岩体隆升速率一直不变，以及所有地表隆升只是由于单位河流功率（重力、水密度、河流坡度与单位宽度排放量的乘积）的改变引起的，那么当时的年排放量必须至少比现在大4倍，才能补偿因较小河道坡度产生的不足（图2A ）。不存在气候变化或河流袭夺的证据，以支持这种规模的排放减少。堵塞河流的冰川坝（25）也不可能是侵蚀效率降低的原因，因为隆升的河流段位于2 Km 的高度以下，与冰川的影响距离很远，而且，冰坝作用（24）产生的冰碛下面存在>200 m 的沉积，这与冰川堰塞坝一开始就中国地震局

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