高原南部地堑（正断层）活动对雅鲁藏布江中游侵蚀的调控作用考察
一、考察背景与内容
雅鲁藏布江（简称“雅江”）是青藏高原南部最大的河流，可以快速响应该地区的早期构造活动和气候变化；是流域内引人关注的冰-河-湖耦合水文及次生灾害链系统形成和演化的重要基础。在这个流域内，一个显著的地貌现象就是多个河流裂点正好分布在南北向地堑和正断层的位置。在中游加查镇附近，雅江的河床从海拔3500m的位置下降了500m，发育形成了雅江的第二大裂点（最大裂点在大峡谷处）。前人研究认为，该裂点的形成是由于10Ma青藏高原东南缘快速抬升导致河流侵蚀基准面下降，河流溯源侵蚀而成。但是，目前尚不清楚该地区地堑/正断层的活动是否对该裂点的形成和河流的侵蚀会产生明显的影响。因此，我们沿着雅江中游河谷采集了基岩低温热年代样品，利用QTQt二维模拟方法计算了该地区基岩的冷却历史，结合3D热动力学模型（Pecube），试图揭示地堑/正断层活动对该地区河流裂点的形成、河谷快速侵蚀和冰-河-湖水文地貌系统的影响。
2021年9月25日至10月12日，第二次青藏科考“亚洲水塔动态变化与影响”任务“雅江流域冰-河-湖演化历史事件与耦合过程”专题南京大学科考分队，在已有数据的基础上，对雅江中下游桑日至米林段，再次开展了河谷基岩低温热年代学样品补采，并对该地区河流纵剖面、河谷形态宽度、冰-河-湖地貌系统等进行了实地调查。经多年以来野外考察和积累，本课题组已获得该地区低温热年代数据40个、百余幅典型河断航拍照片（无人机拍摄和收集影像120余幅，视频10个）。
二、雅江区域背景简介
雅江是世界上海拔最高的大河之一，发源于青藏高原南部喜马拉雅山北麓的杰马央宗冰川。雅江北部为冈底斯山脉，南部为喜马拉雅山脉，雅江干流河谷沿东西向的雅江缝合带发育，流域整体呈东西向的狭长带，支流多而短小，较大支流有拉萨河、帕隆藏布、年楚河等（图1）。
雅江干流自东向西发育了多个河流裂点，最著名的就是发育于喜马拉雅东构造结的巨型裂点，在地貌形态上表现为深达5000多米的陡峭峡谷。进入高原内部，雅江中上游峡谷和宽谷相间分布，干流自东向西依次发育了加查河流裂点、仁布裂点、大竹卡裂点和谢通门裂点，这些裂点正好也分布于青藏高原南北向地堑/正断层的位置。前人研究发现，这些正断层的开始活动和地堑发育的时间在20~2Ma之间，且伸展断裂主要开始于中新世中期。
图1 青藏高原南部冰-河-湖水文地貌系统构造及区域地貌特征。（a）青藏高原地形；（b）青藏高原南部主要的断层、河流分布和地貌特征。
三、低温热年代样品采集
科考队沿着雅江中游河谷，除了考察冰-河-湖水文地貌系统的宏观地貌和沉积特征，还采集了从桑日-加查-朗县-米林段河谷基岩出露较好的低温热年代样品（样品岩性为喜马拉雅、冈底斯的花岗岩和火山岩）（图2和3）。低温样品的采集对我们而言，具有一定的挑战性，特别是在加查地区，河谷坡度陡峭，地形险峻，为了完成科考任务，在如此艰险的环境，我们克服重重困难，沿着河谷向山顶徒步攀爬，垂向攀登高度超过1000 m，完成了样品的采集。
在加查县南部河谷顶部采集了两个样品，海拔在5200 m左右；其余样品沿着雅江深切的基岩河床采集，采样点的海拔高度在3000~3600 m之间。随后，在室内对采集的样品进行处理，从中挑选了两种能记录岩石冷却历史的矿物（磷灰石和锆石），用于后续年龄测定的研究。
图2 青藏高原南部雅江中游地质背景和低温热年代学采样点的分布
图3 雅江冰-河-湖系统典型地质和地貌景观
四、热动力学模拟
对已获得的低温热年代数据，利用二维QTQt模拟计算了基岩冷却历史，发现该地区在12-7 Ma整体上经历了相对快速的冷却；7-4 Ma 地堑/正断层处冷却速率显著增加，而河流裂点下游河谷地区（正断层上盘）的冷却速率降低；4-0 Ma正断层处冷却速率增加，而河流裂点下游河谷地区的冷却速率显著降低。基于7 Ma以来该地区冷却速率在空间上的变化，我们认为7 Ma以来加查地堑/正断层的活动，调控了该地区河谷基岩的冷却速率和谷地发育过程。
为了探究正断层活动对该流域裂点的形成和地表侵蚀的影响，我们进行了3D热动力学模拟，模拟了地堑/正断层活动和不活动两种情景下区域热演化、河流剥蚀速率的时空变化（图4）。通过对比模拟结果发现，设定正断层情形下模型正演的低温热年龄更接近实测值，这也验证了我们的假设：地堑/正断层的活动对该地区的裂点发育、河谷发育有较大的影响。
图4 Pecube模拟正断层的活动对雅江中游剥蚀速率的影响。（A）不加正断层情形下，河流剥蚀速率的变化；（B、C和D）三种不同深度的正断层影响下，河流剥蚀速率的变化。
五、辨别构造与侵蚀影响雅江冰-河-湖水文地貌系统演化的启示
构造抬升和侵蚀都能导致基岩剥露进而影响地貌演化，以至于我们很难辨别哪一个是主控因子。如果我们选择构造样式单一、剥蚀规律较强的地区来研究这个问题，或许能突破我们困惑的这个难点，因为这样的地区对构造抬升和侵蚀作用的辨识度更高，易于量化构造与侵蚀控制下的岩石抬升剥露和地貌演化过程；而相对单一的正断层与河流水系侵蚀控制下的差异岩石剥露和差异地貌发育区无疑是极佳选择。我们选择正断层活动和河流侵蚀强烈的青藏高原南部雅江中游加查地区，通过大量低温热年代数据的分析，发现加查裂点由最初大峡谷位置向上游迁移，在正断层处转为固定；随着正断层的活动，裂点下游河谷侵蚀速率由最初的快速侵蚀转为显著降低。初步结果表明，地堑发育和正断层活动可能是雅江中游河谷侵蚀的主要影响因素，从而奠定了区域河流-坡地过程-谷地堰塞-溃决洪水反馈系统的地质和地貌基础。
撰稿人：蔡东旭
审核：王先彦
项目：第二次青藏高原综合科学考察研究
任务：二、亚洲水塔动态变化与影响
专题：雅江流域冰-河-湖演化历史事件与耦合过程（2019QZKK0205）