宇宙成因核素10Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征*
[胡凯1 
, 方小敏1 , 赵志军2 ]
, 方小敏引用本文
胡凯, 方小敏, 赵志军. 宇宙成因核素10Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征* . 30(2): 268-275
Hu Kai, Fang Xiaomin, Zhao Zhijun, Darryl Granger. Erosion rates of Northern Qilian Shan revealed by Cosmogenic 10Be . Advances in Earth Science, 30(2): 268-275
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Hu Kai, Fang Xiaomin, Zhao Zhijun, Darryl Granger. Erosion rates of Northern Qilian Shan revealed by Cosmogenic 10Be . Advances in Earth Science, 30(2): 268-275
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宇宙成因核素10Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征*
作者简介：胡凯（1989-）,男,湖南双峰人,硕士研究生,主要从事山地侵蚀和构造地貌学研究.E-mail: huk@itpcas.ac.cn
摘要
山脉侵蚀速率的大小和时空分布信息是研究山脉构造—气候相互作用和地貌演化的关键切入点,其大小是受气候还是构造控制争论已久。宇宙成因核素10Be方法为从千年至万年尺度上定量研究流域平均侵蚀速率提供了一种先进和快捷的技术手段,为揭示侵蚀速率与现代气候和构造地貌因子的关系并进行相关分析提供了基础。利用该方法对北祁连山近现代侵蚀速率进行了研究。所采集的9个流域现代河沙样品,结合前人数据进行共同分析,结果显示该区侵蚀速率的变化范围为18.7~833 mm/ka,北祁连山中段的侵蚀速率约为323 mm/ka,该区侵蚀速率与降雨量没有明显的对应关系,但与流域平均坡度呈现很好的非线性关系,揭示坡度是该区侵蚀速率的最主要控制因素。通过对比北祁连山地表平均侵蚀速率和该区域的断层垂直滑动速率发现整体上该区域地表侵蚀速率要低于祁连山北缘断层的垂直滑动速率,反映了北祁连山正处于地形抬升和生长的过程之中。
关键词:
宇宙成因核素; 流域平均侵蚀速率; 坡度; 降水量; 祁连山
中图分类号:P512.2
文献标志码:A
文章编号:1001-8166(2015)02-0268-08
Erosion rates of Northern Qilian Shan revealed by Cosmogenic 10Be
Abstract
Knowledge of temporal and spatial distribution of erosion is the key to understanding the climate-tectonic interaction and topographical evolution of mountain belts and to making clear the long debate whether erosion is controlled by tectonics or climate. The newly developed cosmogenic nuclides method provides us with an advanced and convenient tool to measure millennium basin-wide erosion rate, allowing us to analyze its relationship with modern climatic, geomorphic and tectonic factors. Hence, we adopted the10Be method to investigate the basin-wide millennium erosion rates of Northern Qilian Mountains and aimed to find the controlling factors of erosion rates of this area. We collected and analyzed 9 samples from Heihe River and the front of the Northern Qilian Mountains. Our results, together with published10Be derived erosion rates in this area, showed that the erosion rates of the basins we studied ranged from 18.7 mm/ka to 833 mm/ka, and that the weighted average erosion rates of the middle section of the Northern Qilian Mountains was about 323 mm/ka. Spatial distribution of erosion rates and correlation analysis reveal that the basin-wide erosion rate was nonlinearly correlated to the basin average slope, while no apparent correlation between erosion rate and precipitation was found. Altogether, it indicated that the slope or terrain steepness was the major controlling factor on erosion rate of the Northern Qilian Mountains area. By comparing the basin-wide average erosion rates and the vertical slip rates of faults of the Northern Qilian Mountains, our research also revealed that the surface erosion rates generally agreed with vertical slip rates of the Northern Qilian Mountains faults, implying that the Northern Qilian Mountains area was experiencing topographical uplift and outgrowth.
Keyword:
Cosmogenic nuclide; Basin-wide erosion rates; Slope; Precipitation; Qilian Mountains.
1 引言
侵蚀是地球表面最重要的地质地貌过程之一, 在造山带中, 它不仅是塑造山脉地貌的力量, 侵蚀的时空分布更能影响到山脉的构造演化[1, 2] 。侵蚀作用究竟是受构造还是气候或者两者的双重控制?这是地学界长期争论的一个焦点, 至今未有定论[3~7]。随着高精度加速器质谱的出现, 新颖的宇宙成因核素方法用于定量测定流域平均侵蚀速率成为可能, 它是目前从千年到万年尺度上定量流域平均侵蚀速率最先进快捷和准确的一种技术手段[8~11]。在这一时间尺度上, 我们可以将侵蚀速率与现代降水量等气候指标、坡度等地形因子[12]和断层滑动及地表抬升速率等构造因子对比[4, 13], 从而可以从定量的角度和从空间和机制上进行构造— 气候相互关系和地貌演化的分析。
位于青藏高原东北缘的祁连山, 是新生代回春隆起的一条加里东造山带, 山脉呈北西西向展布, 地形西高东低, 平均海拔在4 000 m左右, 气候上位于东亚季风与西风的交汇区[14], 年降水量由东南端的500~600 mm到西北端的不足50 mm[15, 16], 是通过侵蚀速率空间变化来分析构造– 气候相互作用和地貌演化的理想天然实验室。
近期对祁连山北缘肃南和石油河一带流域的10Be所揭示的侵蚀速率开展了初步研究, 揭示出这些地带的侵蚀速率有明显变化[17, 18]。但这些研究都是针对一个小区域内的小流域或者在面积广大的流域进行, 没有系统地对大流域进行细化和开展空间上的影响因素分析, 而一个大流域反应的信息往往是众多过程和影响因子的综合, 在这种情况下很难抽提出单一的因子对侵蚀速率的影响。为此, 我们在前人采样的基础上, 对黑河流域的分支盆地和祁连山前的一系列小流域盆地进行了样品采集。这样结合前人的研究, 就可以较好地探讨构造和气候等各项因子对流域侵蚀速率的影响。
2 区域背景
祁连山是一条早古生代缝合带, 古生代的变质岩系构成了大部分的山体基岩, 随后祁连山地区经历了中生代的以伸展为主的过程, 在山间盆地堆积了一套陆相含煤和红色碎屑岩地层, 受新生代以来印欧大陆碰撞应力向东北方向传递的影响, 祁连山发生挤压变形而隆升, 这一变形隆升过程一直持续到今天[19~21]。祁连山脉整体走向北西西, 延伸超过1 000 km, 由北、中和南祁连山及其夹持的山间盆地相间排列而成[22], 山间盆地之间均为北西西向的深达断裂所分隔, 断裂的滑动集中了祁连山的主要变形和抬升（图1）。GPS地壳变形研究显示, 高原东北缘垂直于祁连山走向方向正在经历着每年约5.5 mm的缩短变形[23]。在这一系列的断裂中, 位于祁连山最北缘的一条为祁连山北缘断裂, 为高原东北缘的边界和变形前缘, 以该断层为界, 祁连山山前以2 000~3 000 m的高差凌驾于河西走廊盆地之上。祁连山正在向东北方向活跃生长, 是高原最年轻的一部分[17, 20, 21]。
祁连山位于中纬度西风和东亚季风的交汇地带, 该区域气候受两大气候系统的共同控制。冬季, 强劲的西风急流的北支和冬季风沿祁连山北缘向东南流, 对该区域影响极大, 天气寒冷而干燥; 夏季, 印度洋西南季风和东亚季风可影响此区域, 为本区带来降水。本区降水量从东南向西北方向逐渐减少, 东南部的降水中心, 冷龙岭地区, 4 000 m以上的高山带年降水量可达700 mm以上, 而到西北端的敦煌地区, 年降水量不足50 mm（图1）。
祁连山水系的宏观分布格局主要受地质构造条件控制。从哈拉湖到东经99度的疏勒南山一带是祁连山的最高地貌区域, 故而祁连山水系以此为中心外流, 形成不对称的大致放射状水系。同时, 祁连山是由多组走向近西北– 东南向的平行山脉组成的复式山系, 与区域构造方向一致的纵谷平坦宽展, 而河流横向切穿山脉外流形成峡谷, 纵向宽谷和横向峡谷的组合就形成了格子状水系。辐射– 格子状的水系分布格局是祁连山水系的最大特色（图1）。发育于北祁连山的水系主要有东南部的黄河支流大通河和湟水; 北部注入河西走廊和敦煌荒漠区的石羊河、黑河、北大河、疏勒河和党河, 河流在山前形成绿洲; 西南部为流入柴达木盆地和共和盆地内陆小水系, 河流短促; 中部 为流入哈拉湖和青海湖的内陆水系。因此, 祁连山区的大河流绝大多数分布于东南部的外流流域和北大河以东的北祁连山, 南部河流稀少, 整个祁连山北缘受河流切割的程度也较南部深得多（图1）。
3 宇宙成因核素方法简介
整个地球表面都沐浴在宇宙射线的环境之中, 宇宙射线与组成地表物质的原子发生碰撞并发生核反应, 在其物质结构中产生并积累宇宙成因核素。因此地表物质在地表环境停留的时间越长, 其中累积的宇宙成因核素浓度就越高[24, 25]。近年来, 宇宙成因核素方法被广泛用于山脉流域平均侵蚀速率的测定, 这种方法选用了自然界广泛分布的石英作为目标矿物, 经化学处理后提取其中的Be元素, 在加速器质谱仪上测得样品中宇宙成因核素10Be的含量, 用于测算地表的侵蚀速率。在地表核素生产速率一定的情况下, 单位质量的石英矿物中10Be含量越高, 所反映的侵蚀速率就越慢, 反之, 侵蚀速率就越高。这种方法最初被用于单一露头的侵蚀速率测量[26], 20世纪90年代中期这一方法被推广到流域盆地的平均侵蚀速率测定[8, 9, 27], 被地学界接受并广泛运用于地貌学的研究之中[10, 28]。在稳态侵蚀的情况下, 这种方法的测量原理可以简化为如下的方程式表示[25]：
式中：C为单位质量石英矿物中10Be原子的个数, P为宇宙成因核素10Be的地表产生速率, λ 为10Be的衰变常数（4.997× 10-7 yr-1）, ρ 为地表岩石密度（2.73 g cm-3）, Λ 为宇宙射线的平均吸收深度（160 g cm-2）, ε 为侵蚀速率
 | 图1 北祁连山地形、年均降水量、主要断裂和采样流域、样点及流域侵蚀速率分布图Fig.1 The distribution map of topography , annual mean precipitation, major faults, sampling basins and obtained erosion rates of the Northern Qilian Shan |
4 样品采集与处理分析
我们沿北祁连山中、东段山前河流出山口采集了一系列现代河沙样品, 并同时对黑河流域从下游至上游进行了系统采样, 共采集现代河沙样品9 个, 样品采集跨越了区域内不同的气候、地貌和构造单元, 并且排除了现代积雪覆盖对样品核素生产速率的可能影响。
样品采集完成后, 筛选出其中0.25~0.75 mm的组分, 利用了酸溶和重液法等步骤提取出该粒径组分样品中的石英矿物, 随后将提取出来的纯净石英矿物送往美国普度大学宇宙成因核素化学实验室进行石英中铍元素的提取。首先, 我们对石英样品进行稀释剂标定, 并将其溶解在体积比为1:5的HNO3/HF的酸溶液中, 然后对溶解的样品进行一系列的化学体系的转换和提纯, 最后经过离子交换柱的过滤得到Be(OH)2, 在高温下将铍的氢氧化物 Be(OH)2转化成氧化物BeO, 将其制靶后交付普度大学稀有同位素测量实验室（Purdue Rare Isotope Measurement Laboratory）进行样品铍元素同位素10Be/9Be比值的测量, 并通过计算将该比值转换成石英矿物中10Be原子的含量（每克石英中10Be原子的个数）, 结果见表1。
5 祁连山北缘10Be所揭示的侵蚀速率
5.1 祁连山北缘侵蚀速率的空间分布特征
结合前人在该区域取得的数据[17, 18], 本次研究共获取了祁连山地区32个盆地的侵蚀速率(图1), 从而可以从较大空间范围来揭示祁连山北缘千年至万年尺度上流域平均侵蚀速率的特征和变化（图1和表1）。结果显示, 祁连山北缘侵蚀速率整体空间分布呈现出与流域相关（图2）, 黑河流域中下游及其周缘的小流域盆地呈现出了侵蚀速率的高值（> 200 mm/ka）, 而靠西边的石油河及其周缘盆地和黑河西支源头地区呈现出侵蚀速率的低值（< 150 mm/ka）。在32个盆地中, 侵蚀速率的最小值为18.7 mm/ka, 出现在黑河西支源头的平坦谷地; 侵蚀速率的最大值为833 mm/ka, 出现在与黑河源头一条分水岭之隔的丰乐河盆地。
注入民乐盆地的5个祁连山山前流域盆地的侵蚀速率范围为247.2~483.1 mm/ka; 黑河上游的东支和西支都呈现了较高的侵蚀速率, 在祁连县两支最终汇合之前, 测得西支得侵蚀速率为398.6 mm/ka, 东支的侵蚀速率略高于西支为434.7 mm/ka, 特别值得注意的是东支源头盆地的侵蚀速率高达787.9 mm/ka, 两支汇合后在黑河主干上得到的侵蚀速率为325 mm/ka。与黑河相邻的梨园河流域盆地的侵蚀速率为196 mm/ka; 从梨园河再往西, 发源于北祁连山山前的5条河流的流域盆地集中呈现出了高的侵蚀速率, 范围为833~395 mm/ka。上述河流最终注入河西走廊, 这些流域盆地覆盖了北祁连山中段的绝大部分面积, 因此我们对其侵蚀速率进行面积加权统计平均, 可得到北祁连山中段千年至万年尺度的侵蚀速率约为323 mm/ka（图1和表1）。
 | 表1 采样点位置和相应盆地平均侵蚀速率 Table 1 Sample locations and corresponding basin-wide erosion rates |
5.2 祁连山侵蚀速率与相关影响因子的分析
我们根据图1中的降水量等值线提供的降水量信息估算了各个盆地的平均年降水量, 并将流域侵蚀速率与平均年降水量进行相关分析, 发现两者的相关度很低, 相关系数R2仅为0.04, 说明流域年平均降水量与侵蚀速率之间几乎没有太大关系（图2）。这与我们常规思维有很大区别。为了进一步佐证这个发现和探讨其中的原因, 我们进行了下面的坡度分析和完全不同气候地区和降水量级别的区域对比分析。
 | 图2 北祁连山流域侵蚀速率与降水量关系散点图Fig. 2 Scatter plot of erosion rates and annual mean precipitations of the Northern Qilian Shan |
我们利用流域盆地的30 m分辨率数字高程模型（DEM）, 并运用ArcGIS软件中的坡度计算工具, 选用3× 3的邻域逐像元计算了每一像元所代表的地表的坡度, 流域盆地内所有像元坡度的平均值即为该流域盆地的平均坡度。如果将北祁连山所有采样流域的侵蚀速率与对应流域的平均坡度投图, 可以发现侵蚀速率与流域平均坡度呈现很好的非线性关系。这种关系反映当坡度较低时（< 25° ）, 侵蚀速率随坡度呈近似线性增加, 而且随坡度增加的速率缓慢, 但当坡度> 25° 时, 侵蚀速率随坡度的增加而迅速增加, 且波动幅度也显著增大（图3a）。图3a中的标注数字的4个样点的流域侵蚀速率明显偏离相关曲线, 这4个样点全部落在北祁连山区内部黑河上游第三纪红层盆地中, 该盆地自然地理为典型的高山草原景观, 流域平均坡度很低, 草原植被浓密, 现代侵蚀强度很低, 河谷中采集的砂样很大一部分来自河流流经的第三纪红层（图4）, 因此推测这4个样点所对应的很高的侵蚀速率可能是由于较多10Be含量很低的第三纪红层石英沙粒的带入造成, 这些石英沙粒不仅来源于地表侵蚀（surface erosion）, 其中可能有较大一部分来自于重力侵蚀（subsurface erosion）, 重力侵蚀将地表较深处的10Be含量接近为0的石英沙粒带入河流中, 从而稀释了整体河沙的10Be浓度。按照上面10Be分析流域侵蚀速率的原理和公式（1）, 较低的流域10Be含量意味着流域内岩石接受的宇宙成因10Be难以在岩石中保存, 而被较强的侵蚀带入流域内河沙中, 从而指示了较高的流域侵蚀速率。
为了进一步说明流域平均坡度与流域平均侵蚀速率之间可能存在的关系和物理规律, 最好的方法就是进行远距离不同气候区流域的大范围对比。位于西南季风区青藏高原东部边缘的龙门山, 年降水量是北祁连山地区的2~3倍以上。非常重要的是, 将北祁连山地区的流域侵蚀速率与坡度关系与龙门山地区用同样方法得到的流域侵蚀速率与坡度关系[29]进行对比时, 发现两者都符合同样的非线性规律[30](图3b), 坡度在30° 以下时, 同样的坡度对应的侵蚀速率也基本相当, 如当坡度都在25度左右时, 祁连山和龙门山的侵蚀速率都在200~300 mm/ka的范围内, 这有力地说明流域平均侵蚀速率在总体上服从坡度定律, 而与气候的影响关系不大。
 | 图3 北祁连山流域侵蚀速率与流域平均坡度关系(a)及其与龙门山流域侵蚀速率与平均坡度关系(b)的对比Fig. 3 Relationship between basin-wide erosion rate and average basin slope in the Northern Qilian Shan(a) and its comparison with that of the Longmen Shan in the eastern Tibetan Plateau(b) |
 | 图4 北祁连山内部黑河上游流经的第三系红层盆地及其高山草原景观Fig.4 The Tertiary red beds of the upper Heihe (River) and the surrounding alpine grassland |
流域坡度的形成主要受到断裂和构造抬升的控制, 其次是岩性[31]。北祁连山流域侵蚀速率的分布呈现从西到东增大的趋势, 祁连山西部的玉门石油河流域的侵蚀速率要低于靠东部的黑河流域及其周缘流域的侵蚀速率（图1和表1）。对祁连山北缘河流陡峭度指数的研究也表明其数值由西向东增加, 揭示了坡度的增加[32]。如果分析断裂的活动和抬升, 发现断裂是导致这个现象的主要原因。祁连山北缘主要为祁连山北缘逆冲断裂所控制, 其活动速率控制了北祁连山的区域整体的抬升速率。Hetzel等[33, 34]利用宇宙成因核素测年的方法测得了万年尺度上玉门段（玉门断层）和张掖段（张掖断层）的垂直滑动速率, 分别约为350 和880 mm/ka, 后者约为前者的2.5倍（图1）; Zheng等[35]利用了（U-Th）/He低温热年代学的方法得到了北祁连山中段偏西部分10Ma以来的垂直滑动速率为500 mm/ka。整体来说, 祁连山北缘平均地表侵蚀速率要低于断层的垂直滑动速率, 揭示北祁连山地形还在抬升和生长之中。
6 结语
流域的平均坡度是北祁连山侵蚀速率的主控因素, 当流域平均坡度在25° 以下时侵蚀速率与平均坡度呈近线性的缓慢增加趋势, 当坡度超过25° 时, 侵蚀速率随坡度的增加而迅速增加。气候对流域侵蚀速率的影响不大。
北祁连山山前断层的垂直滑动速率要大于北祁连山流域盆地的地表侵蚀速率, 因此北祁连山地形仍然在抬升和增长的过程中。
The authors have declared that no competing interests exist.
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