新疆葉爾羌河上游全新世階地的釋光年代與河流下切速率

劉進峰 陳 杰 王昌盛

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

新疆葉爾羌河上游全新世階地的釋光年代與河流下切速率

劉進峰 陳 杰 王昌盛

(中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029)

采用細顆粒石英簡單多片再生法對新疆葉爾羌河上游階地進行了光釋光測年，并在不同實驗室進行了等效劑量對比測試，結果基本一致。測年結果顯示，該階地沉積形成于距今4.3～7.3ka，自階地形成以來，河流下切(27±5)m，下切速率(6.3±1.2)mm/a。塔什庫爾干河中上游河流的快速下切可能與慕士塔格山穹窿的快速隆升或第四紀冰川作用有關。

河流階地 光釋光測年 葉爾羌河 下切速率

0 引言

活動造山帶水系的發育及其對構造隆升、氣候環境變化的響應和反饋是目前地表過程研究的熱點和切入點(Burbank et al.，1996，2002;Whipple et al.，1999，2000;顧兆炎等，2006)。其中，河流階地的形成時代及其所反映的堆積和下切速率，是開展上述研究的重要參數之一。

塔里木南緣源自帕米爾—西昆侖山的葉爾羌河、喀拉喀什河、玉龍喀什河等河流兩岸均零星發育河流階地，這些階地記錄了晚第四紀山脈隆升與山前盆地構造與環境演化的詳細過程(王永等，2009)。其中，新疆塔里木河水系葉爾羌河發源于喀喇昆侖山和帕米爾高原，出山后匯入塔里木河，是該區最大的河流之一。本文選擇葉爾羌河上游支流塔什庫爾干河殘存的全新世階地河流相沉積物，對其形成時代進行了光釋光測年，并結合該地的構造熱年代學數據，討論了不同時期的河流下切速率。

1 材料與方法

1.1 階地剖面位置及地層特征

新疆塔什庫爾干河是葉爾羌河的主要支流之一，屬于冰川融雪補給型河流，降雨很少，河水流量隨著氣溫而變化。在由塔什庫爾干谷地向東橫穿帕米爾東部時形成高山峽谷，河床落差大，河水流速急，河兩岸僅零星發育階地。本文所研究階地位于塔什庫爾干河中下游塔什庫爾干塔吉克自治縣下坂地水庫與庫科西魯克鄉之間的高山峽谷內，GPS坐標37.837°N，75.721°E，為一殘存在河北岸的全新世階地。河谷兩岸為元古界角閃黑云二長片麻巖、角閃片巖、云母石英片巖及薄層大理巖等。構造上處于晚新生代以來強烈隆升的慕士塔格片麻巖穹窿內(Robinson et al.，2007;Sobel et al.，2011)(圖 1)。河床高程 2480 ～2490m，河谷寬 100 ～200m，兩岸山峰高程4000～5000m，相對高差2000～2500m，山勢險峻，無植被覆蓋。

圖1 新疆塔什庫爾干-葉爾羌河及主要構造分布(據Sobel et al.，2011改編)Fig.1 DEM along the Tashkurgan-Yarkant River showing the sampling site and major structures(after Sobel et al.，2011).

該階地剖面厚約13m，主要由河床相礫石層與砂、黏土層構成河流相二元結構，側向上相變迅速?？傮w可分為10套地層，最頂部(第1層)為厚約0.7m的含角礫中粗砂，分選磨圓差，為階地面形成后的近緣坡積物。上部3m(第2層)為中、粗砂層夾層理發育的粉砂層，含礫;部分粗砂層側向上相變為粗砂礫層，可能為砂質河床相沉積。剖面中部4m(第3層)為粉細砂、黏土和中細砂互層，層理發育，為漫灘相沉積。剖面下部5m(第4～10層)地層為中、細礫石層，夾粉砂、細砂層，未見底，為河床相沉積。選擇剖面階地堆積物中層理發育的粉砂或泥質粉砂層采集了光釋光樣品，剖面具體分層情況及采樣部位見圖2，3。

1.2 釋光信號測試

測樣的前處理和制備在中國地震局地質研究所釋光年代學實驗室完成，光釋光信號測量在Daybreak 2200自動測量系統上完成。在暗室內，先用濃度為30%的H2O2和濃度為37%的HCl對樣品進行處理，以清除有機質和碳酸鹽類。隨后，采用靜水沉降法分離出粒徑為4～11μm的細顆粒多礦物組分，用30%的氟硅酸反復浸泡以提取細顆粒石英。

Daybreak 2200自動測量系統的激發光源為波長(470±5)nm的藍光束(最大光強67.3mW/cm2)，測試過程中，使用光源最大功率的80%。光釋光信號通過EMIQA9235型光電倍增管(PMT)檢測，在PMT前面附加兩塊U-340濾光片。機載輻照源于2010年9月1日采用丹麥Risoe實驗室輻照的高靈敏度細顆粒石英標樣標定的劑量率為0.032,7Gy/s。

細顆粒組分刻蝕后的純度實驗結果顯示(圖4a)，本批樣品的紅外光釋光信號(IRSL)基本與儀器本底值接近;其紅外后藍光釋光信號與藍光光釋光信號無明顯差別，紅外逐出比在0.9～1.1之間(Duller，2003);藍光釋光信號在前5s基本衰減至本底;具有典型的石英熱釋光110℃和325℃峰(Aitken，1998)，表明提純的細顆粒石英能滿足釋光測年的要求。

對該批樣品進行了人工輻照劑量后，未經過藍光激發和經過藍光激發熱釋光信號的對比測試(圖4b)。給樣品輻照一定劑量后直接測試熱釋光信號，結果顯示其熱釋光信號以325℃峰為主。而樣品在輻照一定劑量后再用藍光激發300s，其325℃峰已被消除，只剩下375℃峰。說明該批樣品的光釋光信號主要來自于石英325℃峰，為極易曬退的石英快速組分。

圖2 階地剖面巖性分層及釋光采樣位置和年齡Fig.2 Stratigraphy and OSL sample position and age in the section.

對樣品P05-071(05-277)經氟硅酸刻蝕后的細顆粒(4～11μm)石英組分，采用單片再生法(Murray et al.，2000)進行了預熱坪實驗。實驗結果表明，該樣品的等效劑量在180～260℃溫度區間內與預熱溫度關系不大，為一坪區(圖5)，因而測量過程中可采用該溫度范圍內的任意一個預熱溫度。采用260℃預熱溫度，對該樣品用簡單多片再生法(王旭龍等，2005;Lu et al.，2007)進行了3組劑量恢復實驗，恢復比率分別為0.97、1.01和1.02，說明采用的預熱溫度和實驗流程是合適的(Wintle et al.，2006)。

圖3 光釋光樣品在剖面中的位置Fig.3 OSL sample position and age in the section.

圖4 細顆粒石英光釋光及熱釋光信號特征Fig.4 Glow curves of thermoluminescence and luminescence of fine grain quartz.

該批樣品的石英組分均采用簡單多片再生法進行了藍光釋光的等效劑量測量。樣品P05-070(05-565)的光釋光信號衰減曲線和生長曲線見圖6?；厥谛盘枏姸鹊陀?%。

同批處理好的細顆粒石英組分在丹麥Risoe釋光實驗室Risoe TL/OSL-AD-20型釋光測量系統上采用相同的實驗流程也進行了等效劑量測量。2個實驗室等效劑量測試結果見表1。

用Daybreak 583型厚源α計數儀對樣品進行了U，Th測定，鉀含量用火焰光度計分析方法測定。根據文獻(Aitken，1998)提出的石英礦物吸收環境劑量率與環境中鈾和釷含量(以α計數率表示)、鉀含量等之間的轉換關系，并考慮了樣品含水量及宇宙射線對環境劑量率的貢獻(Prescott et al.，1994)，計算出各樣品所吸收的環境劑量率(表1)。需要指出的是，本批樣品均處于現今水位之上，為干樣，但其在沉積時均處于水位以下即飽水狀態。用實驗方法估算了每個樣品的飽和含水量(以此作為該樣品沉積時的含水量)。采用Fleming等(1973)提出的校正方法，分別計算了樣品飽和含水和現今實測含水量下的環境劑量率，由此獲得了每個樣品的上、下限年齡，取其平均值(誤差計算考慮了各種不確定性)，此即樣品所在層位的沉積年齡(表1)。

圖5 樣品P05-071(05-277)用SAR法獲得的等效劑量與預熱溫度的關系Fig.5 Plots of D e as a function of preheat temperature for sample P05-071.

圖6 光釋光信號衰減曲線和生長曲線Fig.6 OSL decay(a)and growth(b)curves obtained by the SMAR protocal.

2 測年結果

在本階地堆積剖面上采集了5個樣品(圖2)，雖然該批樣品以黏土質粉砂、粉細砂為主，但室內分析結果顯示其中粗顆粒(＞90μm)樣品的光釋光信號較弱或無信號，沒有獲得等效劑量值，僅測得4個細顆粒石英光釋光測年結果。

本批樣品細顆粒石英的穩定熱釋光信號以325℃峰為主，其光釋光信號主要來自于325℃峰，為極易曬退的快速組分。預熱坪試驗、劑量恢復試驗結果均表明本實驗采用的等效劑量測量條件和流程是合適的，能有效地校正測量過程中的釋光信號感量變化。

該批樣品在2個實驗室用不同的測量儀器進行了等效劑量對比實驗，同一樣品在2個實驗室測定的等效劑量值在2個標準偏差之內一致。這4個樣品光釋光年齡值與地層層序相一致，未出現明顯的顛倒。這些結果顯示，該批樣品的光釋光年齡是可靠的。

3 河流下切速率的討論

釋光測年結果顯示該套厚10.3m的河流沉積物形成于4.3～7.3ka BP期間，其沉積速率極不均勻。根據Google Earth衛星影像，采樣點海拔(2500±5)m，現代河床海拔(2485±5)m。剖面頂部階地面距現代河床高度為(27±5)m。如果以剖面頂部樣品P05-073(4.3ka BP)作為河流開始下切的時間，則下切速率為(6.3±1.2)mm/a。

東流的塔什庫爾干-葉爾羌河深切帕米爾高原東部，在進入塔里木盆地之前形成了深2～3km、長120km的高山峽谷。盡管流域面積較小且水動力有限，塔什庫爾干河中上游在流穿近SN走向的慕士塔格片麻巖穹窿時呈直線狀展布，應該是一先成河流，即該河在區域隆升之前就已經存在。否則，很難想象該河是通過切穿4～5km高峰朔源侵蝕了120km而成。

沿塔什庫爾干河的黑云母40Ar/39Ar熱年代學研究表明(Robinson et al.，2007;Sobel et al.，2011)，被公格爾正斷層和庫科正斷層作為東、西邊界斷層圍限的慕士塔格山復背斜在6～8Ma BP開始發生剝蝕隆升，冷卻年齡中部小、東西兩端大的分布特征反映了慕士塔格山復背斜自8Ma BP以來的穹窿狀隆升作用。塔什庫爾干河近直線狀橫穿庫科斷層，采自該斷層帶內以及上(斷層下盤)、下游(斷層上盤)樣品的鋯石(U-Th-Sm)/He年齡均約為6Ma，表明該斷層自距今約6Ma以來已不活動，此段塔什庫爾干河的形成時間應該早于約6Ma BP(見Sobel et al.，2011 一文中圖 2，3)。

該階地剖面以西約12.7km處樣品P05T54和以東約2.5km處樣品P05T51的黑云母40Ar/39Ar年齡及鋯石(U-Th-Sm)/He年齡見表2。該地年平均地面溫度為7℃。據Reiners等(2006)的研究，黑云母40Ar/39Ar封閉溫度為(360±20)℃，鋯石(U-Th-Sm)/He封閉溫度為(190±10)℃。馮昌格等(2009)利用塔里木盆地鉆井地層測試溫度資料和巖石熱導率數據計算獲得塔西南葉城坳陷的平均地溫梯度為18.5℃，若以此作為研究區的地溫梯度，可計算獲得兩樣品所在地的剝蝕速率(表2)。由表2可見，在距今8.3～6.1Ma期間的剝蝕速率為約4.2 mm/a，此后剝蝕速率減小。但總體而言剝蝕速率西大東小，這可能與兩樣品所處的構造位置有關，西側樣品P05T54位于慕士塔格山穹窿的核部，而東側樣品位于該穹窿的尾端。由于這2個樣品均采自河床附近，此剝蝕速率應該代表了河流下切速率。由階地釋光年齡所計算的全新世河流下切速率大于由構造熱年代學數據所反映的長期平均剝蝕速率，這是否意味著該區第四紀或晚第四紀剝蝕速率的加速?顯然這一推論尚需未來更多的數據和研究去論證。

塔什庫爾干河的水動力遠小于下游阿爾塔什附近的干流葉爾羌河，但庫科正斷層以西的長期平均剝蝕速率要遠大于葉爾羌河中下游庫斯拉甫和阿爾塔什附近的剝蝕速率(0.16～0.35mm/a，Sobel et al.，2011)，其原因何在?塔什庫爾干河中上游冰川作用強烈(邢丁家，2007)，葉爾羌河中下游幾乎未見冰川作用痕跡，第四紀冰期是否加劇了慕士塔格山穹窿的侵蝕下切從而導致了慕士塔格山穹窿的快速隆升和公格爾正斷層的強烈活動(Robinson et al.，2007;李文巧等，2011)?回答這些問題，還需要對塔什庫爾干-葉爾羌河沿岸不同時代河流階地等地貌面開展更為細致的研究。

致謝 感謝谷元珠高工在測鉀實驗中給予的幫助，感謝Andrew Murray在Risoe實驗室提供的方便。

馮昌格，劉紹文，王良書，等.2009.塔里木盆地現今地熱特征［J］.地球物理學報，52(11):2752—2762.

FENG Chang-ge，LIU Shao-wen，WANG Liang-shu，et al.2009.Present-day geothermal regime in Tarim Basin，northwest China［J］.Chinese Journal of Geophysics，52(11):2752—2762(in Chinese).

顧兆炎，許冰，呂延武，等.2006.怒江峽谷構造地貌的演化:階地宇宙成因核素定年的初步結果［J］.第四紀研究，26(2):293—294.

GU Zhao-yan，XU Bing，Lü Yan-wu，et al.2006.A report on10Be dating of terrace surfaces in Nujiang River valley［J］.Quaternary Sciences，26(2):293—294(in Chinese).

李文巧，陳杰，袁兆德，等.2011.帕米爾高原1895年塔什庫爾干地震地表多段同震破裂與發震構造［J］.地震地質，33(2):260—276.

LIWen-qiao，CHEN Jie，YUAN Zhao-de，et al.2011.Coseismic surface ruptures of multi segments and seismogenic fault of the Tashkorgan earthquake in Pamir，1895 ［J］.Seismology and Geology，33(2):260—276(in Chinese).

邢丁家.2007.新疆塔什庫爾干河下坂地水庫區古冰川遺跡特征［J］.陜西水利水電技術，1:47—49.

XING Ding-jia.2007.Distribution of the ancient glacier ichnofossil in Xiabandi reservoir of Ku'ergan River in Xinjiang［J］.ShanxiWater Resources and Electric Power Techniques，1:47—49(in Chinese).

王旭龍，盧演儔，李曉妮.2005.細顆粒石英光釋光測年:簡單多片再生法［J］.地震地質，27(4):615—623.

WANG Xu-long，LU Yan-chou，LI Xiao-ni.2005.Luminescence dating of fine-grained quartz in Chinese loess-Simplified multiple aliquot regenerative-dose(MAR)protocol［J］.Seismology and Geology，27(4):615—623(in Chinese).

王永，王軍，肖序常，等.2009.西昆侖山前河流階地的形成及其構造意義［J］.地質通報，28(12):1779—1785.

WANG Yong，WANG Jun，XIAO Xu-chang，et al.2009.Piedmont river terraces formation of the western Kunlun，China and their tectonic significance［J］.Geological Bulletin of China，28(12):1779—1785(in Chinese).

Aitken M J.1998.An Introduction to Optical Dating［M］.University Press，Oxford.39—50.

Burbank D W，Leland J，Fielding E，et al.1996.Bedrock incision，rock up lift and threshold hill slopes in the northwestern Himalayas［J］.Nature，379:505—510.

Burbank DW.2002.Rates of erosion and their implications for exhumation［J］.MineralogicalMagazine，66(1):25—52.

Duller G A T.2003.Distinguishing quartz and feldspar in single grain luminescence measurements［J］.Radiation Measurements，37:161—165.

Fleming S J，Stoneham D.1973.The subtraction technique of thermoluminescent dating ［J］.Archaeometry，15(2):229—238.

Lu Y C，Wang X L，Wintle A G.2007.A new OSL chronology for dust accumulation in the last 130，000 yr for the Chinese Loess Plateau［J］.Quaternary Research，67:152—160.

Murray A S，Wintle A G.2000.Luminescence dating of quartz using an improved single-aliquot regenerative-dose protocol［J］.Radiation Measurements，32(1):57—73.

Prescott JR，Hutton JT.1994.Cosmic ray contributions to dose rates for luminescence and ESR dating:Large depths and long-term time variations［J］.Radiation Measurements，23(2-3):497—500.

Reiners PW，Brandon M T.2006.Using thermochronology to understand orogenic erosion［J］.Annu Rev Earth Planet Sci，34:419—466.

Robinson A C，Yin A，Manning C E，et al.2007.Cenozoic evolution of the eastern Pamir:Implications for strain accommodationmechanisms at the western end of the Himalayan-Tibetan orogen ［J］.Geological Society of America Bulletin，119:882—896.

Sobel E R，Schoenbohm LM，Chen J，etal.2011.Late Miocene-Pliocene deceleration of dextral slip between Pamir and Tarim:Implications for Pamir orogenesis［J］.Earth and Planetary Science Letters，304:369—378.

Whipple K X，Hancock G S，Anderson R S.2000.River incision into bedrock:Mechanics and relative efficacy of plucking，abrasion，and cavitation ［J］.Geological Society of America Bulletin，112(3):490—503.

Whipple K X，Tucker G E.1999.Dynamics of the stream-power river incision model:Implications for height limits of mountain ranges，landscape response timescales，and research needs［J］.JGeophys Res，104:17661—17674.

Wintle A G，Murray A S.2006.A review of quartz optically stimulated luminescence characteristics and their relevance in single-aliquot regeneration dating protocols［J］.Radiation Measurements，41(4):369—391.

OPTICAL DATING OF THE HOLOCENE TERRACE SEDIMENTS AND THE INCISION RATE IN THE UPPER REACH OF THE YARKANT RIVER IN XINJIANG

LIU Jin-feng CHEN Jie WANG Chang-sheng
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

The Tashkurgan-Yarkant River，which is the upper reach of the Tarim River，originates from the Karakoram Mountains in the west syntaxis of the Tibetan Plateau.Thick terrace sediments are widespread along the Tashkurgan-Yarkant River.These deposits contain geologic fingerprints thatallow identification of the environmental changes and geologic hazards.However，few geochronological data was available on these sedimentations to allow us to build an irreproachable agemodel.4 samples of fine grains from one terrace profile were dated by optically stimulated luminescence(OSL)dating method.

In darkroom，fractions of fine grains(4 ～11μm)were extracted from the bulk samples.OSL signal measurementswere performed on an automated Daybreak system.Identical Deplateau in the thermal treatwas observed in preheat plateau test.Tests of luminescence characteristics confirm the suitability of thematerial for OSL dating.Our results indicate the deposition age for these sediments is between 4.3 ～ 7.3ka.After the river terrace deposited，the river has deeply incised for 27 ± 5m，with the incision rate 6.3 ±1.2mm/a.

The thermochronologic data show that the magnitude of exhumation decreases from upstream(west)to downstream(east)along the Tashkurgan-Yarkand River.These data may reflect the the active uplift process of Mustagh Ata antiform.

River terrace，OSL dating，Tashkurgan-Yarkant River，River incision rate

P315.2

A

0253-4967(2011)02-0421-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.015

2011-04-26收稿，2011-05-31改回。

地震動力學國家重點實驗室自主研究課題(LED2010A04)、科技部國際科技合作計劃項目(2008DFA20860)和地震行業科研專項(200808015)共同資助。

劉進峰，男，1977年生，2005年在中國科學院地質與地球物理研究所獲博士學位，副研究員，主要研究方向為新構造與釋光年代學，電話:010-62009038，E-mail:liujf 81@ies.ac.cn。