晚三叠世青藏高原北部的构造演化与区域气候响应：对三叠纪-侏罗纪大灭绝事件的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Late Triassic tectonic evolution and regional climate response in the northern Tibetan Plateau: Insights into the Triassic–Jurassic mass extinction

　　柴瑞阳|周亚楠|王腾|傅强|滕晓华|杨晓静|江楠|陈庆龙|陈振伟|边子伟|程鑫|张敬功|吴汉宁
中国西北大学地质系大陆演化与早期生命国家重点实验室，西安710069

**摘要**
三叠纪-侏罗纪大灭绝可能归因于与古气候变化同时发生的构造事件。东昆仑造山带作为连接青藏高原北部的关键构造纽带，含有广泛分布的三叠纪火山岩，为理解构造过程与青藏高原气候历史之间的联系提供了理想的窗口。然而，东昆仑造山带的构造过程及其对气候变化的贡献仍不清楚。因此，对青藏高原北部三叠纪埃拉山组进行了岩石磁学、磁组构、锆石U-Pb定年、微量元素和全岩主要元素数据的全面分析。样品中的主要磁载体磁铁矿能够保留稳定的剩磁。锆石U-Pb年龄数据显示，祥瑞德（213.4±2.2 Ma）和瑞书南（233.8±1.8 Ma）火山段形成于晚三叠世，而磁组构表明它们经历了相反的构造应力状态。锆石微量元素分析结果分别对应于非造山和造山条件。通过170种地球化学数据集估算，发现了四个粘度峰值；此外，还识别出一个极高的粘度值（约220 Ma），这可能与同期发生的多次构造事件有关。综合多指标气候记录和青藏高原附近的火山岩相分布表明，晚三叠世（约220 Ma）的海洋-大气缺氧及极端温湿条件引发了青藏高原的区域性气候灾难。这种区域气候灾难与多阶段的生物灭绝发生在相似的时间尺度上，但由于证据不足，这些区域扰动与全球规模灭绝事件之间的因果关系尚未得到充分证实。

**引言**
作为地质历史上五大全球性灭绝事件之一，三叠纪-侏罗纪（T-J）大灭绝事件导致海洋生态系统中约53%的属和80%的物种灭绝（Olsen等人，1987；Hallam，1981）。T-J大灭绝的主要原因通常归因于中央大西洋岩浆省的快速喷发（Richard，1993；Crayton和Harald，1996；Marzoli等人，1999；Jaraula等人，2013；Capriolo等人，2020）。大规模火山喷发被广泛认为是快速全球变暖的主要驱动力，因为它们可以增加大气中的二氧化碳（CO?）浓度（Zhou等人，2002；Capriolo等人，2020；Hou等人，2021；Zhang和Torsvik，2022）。大气中CO?浓度的上升显著影响了海洋和大陆环境，从而导致大规模灭绝（Huynh和Poulsen，2005）。大约45%的陆地四足动物在诺利期或诺利期末期灭绝（Hallam，1981；Olsen等人，1987），这比中央大西洋岩浆省在瑞蒂亚期末期的喷发高峰早了几百万年（Schoene等人，2010；Lucas和Tanner，2015；Lucas和Tanner，2018；Capriolo等人，2020）。这些事件之间的时间脱节表明，中央大西洋岩浆省的火山活动并非T-J大灭绝的唯一原因，需要考虑其他机制（例如同期发生的岩浆-构造事件）来解释陆地四足动物的更替。

**原型青藏高原的主要构造形成**
原型青藏高原的主要构造形成与T-J灭绝事件的初始阶段相吻合，伴随着大规模岩浆-构造事件，包括羌塘地块与喀喇昆仑地块的合并以及龙木错-双湖特提斯海的闭合（Dong等人，2018；Zhao等人，2018；Zhou等人，2019；Yu等人，2022；Wei等人，2023）。东昆仑造山带作为青藏高原北部的核心构造枢纽，保存了晚三叠世古海洋向大陆过渡的关键记录（Zuza和Yin，2017；Zhao等人，2018；Wu等人，2020；Dong等人，2021；Shao等人，2021；Wang等人，2022；Chai等人，2024）。古特提斯海的开放由早二叠世的晓庙基性岩脉岩浆活动（约278 Ma）所证实（Liu等人，2014；Xiong等人，2014）。然而，东昆仑造山带从海洋俯冲到碰撞后伸展的构造转变时间仍有争议。先前的研究对这一转变的不同方面提出了不同的时间限制，包括阿尼玛青-昆仑海洋俯冲的持续时间，从早二叠世（约278 Ma）（Liu等人，2014）、早-中三叠世（254-240 Ma）（Tian等人，2021）到中三叠世（244–242 Ma）（Zhao等人，2020）不等。海洋盆地的最终闭合时间估计范围从中-早三叠世（251–240 Ma）（Shao等人，2017；Liang等人，2019；Kong等人，2020；Zhao等人，2020；Zhao等人，2023）到晚三叠世（238–215 Ma）（Ding等人，2014；Tian等人，2021）。此外，从碰撞造山环境到碰撞后环境的转变时间也有不同模型提出，分别为中三叠世（247-238 Ma）（Kong等人，2020）或晚三叠世（223-230 Ma）（Xiong等人，2014；Ren等人，2016；Wu等人，2020；Zhao等人，2020）。现有的地质和地质年代学证据提供的时间范围从早二叠世到晚三叠世，尚不足以单独限定每个过渡阶段。这种不确定性突显了需要综合多指标约束来更好地解析东昆仑造山带的整体构造演化。基于地球化学数据的传统分析方法可能不足以构建精确的构造演化模型；因此，需要额外的参数来更好地限定构造过程的分阶段。

**岩浆粘度**
岩浆粘度是一个关键的流变参数，会系统地响应构造状态的变化（Mancktelow，2008）。当从伸展环境转变为压缩环境时，区域应力场会抑制岩浆的快速上升，迫使其在深处停滞（Sparks等人，2019）。这种停滞增强了分馏结晶和地壳同化作用，增加了晶体含量，并在接近熔体-岩浆转变阈值时促进了向富晶体混合物的过渡（Sparks等人，2019）。压缩应力抑制了岩浆通道的扩展，延长了岩浆的停留时间，促进了地壳同化（Hack和Thompson，2011；Wilson，1989）。尽管压缩减少了挥发性物质的逸出（理论上通过保留H?O降低了粘度），但增强的分馏结晶和同化作用使岩浆变得更加硅质，粘度增加了一个数量级。因此，粘度记录了构造应力的演化。伸展环境下的岩浆粘度通常较低（例如10?–10? Pa·s），因为岩浆上升迅速且分化有限。相比之下，压缩环境下的粘度可升至约10? Pa·s或更高，这与深度分化和长时间停滞有关（Scaillet等人，1998；Wilson，1989）。这种粘度变化是伸展向压缩构造转变的有效标志。与所有粘度估算模型相比，我们使用了Shaw（1972）的经验模型进行计算，其中粘度取决于温度和熔体成分。这些参数（温度、挥发性物质含量和熔体成分）在合理地质范围内的变化可能会改变绝对粘度值。我们强调，粘度峰值并不被视为构造状态变化的唯一指标。地壳增厚或岩浆房动态演变等过程也可能促进分化并增加粘度。因此，定义特定的构造事件（例如俯冲开始）需要将粘度与地球化学指标（主要-微量元素、同位素）在耦合的物理化学框架中结合起来。

**研究方法**
在这项研究中，我们结合了岩浆粘度估算、锆石稀土元素数据和磁组构分析，重建了晚三叠世青藏高原北部东昆仑造山带的构造演化过程。此外，还识别出一个极高的火山粘度值（约220 Ma），这可能与同期发生的多次构造事件有关。同时，通过分析多气候指标和青藏高原附近的火山岩分布，发现了同期的气候转变。讨论了岩浆-构造事件与环境变化之间的潜在联系。我们的结果为东昆仑造山带的构造演化提供了新的见解，并有助于解释T-J边界危机的多阶段性质。

**地质背景**
喀喇昆仑地块由阿尔丁塔格走滑断层与塔里木地块分离，并通过北部的祁连造山带与华北地块分离（图1a，b）。喀喇昆仑地块的核心由一个厚厚的中生代至新生代内陆盆地构成，覆盖了前寒武纪结晶基底（图1a，b；Song等人，2017）。东昆仑造山带位于喀喇昆仑地块的南缘和松潘-甘孜或北羌塘地块的北部（图1a）。

**分析方法**
我们在中国廊坊区域地质调查局完成了锆石U-Pb地质年代学分析、锆石微量元素分析、岩石磁学和磁组构实验。所有锆石均通过磁选、重液分离并使用双筒显微镜手工挑选，然后安装在透明环氧树脂中并抛光以暴露晶体内部。

**锆石U-Pb年龄和微量元素**
瑞书南样本中的锆石具有发育良好的自形柱状形态和明显的振荡生长分带（图3a）。在进行年龄计算之前，对锆石U-Pb数据进行了筛选，排除了一致性低于90%（即不一致性>10%）的数据，以排除可能受到Pb损失或其他结晶后过程影响的分析结果。只有一致性较高的数据被用于进一步的年龄解释（Spencer等人，2016）。

**结论**
通过对青藏高原北部晚三叠世埃拉山组英安岩和流纹岩进行了包括岩石磁学、磁组构、锆石U-Pb定年、微量元素分析和岩浆粘度计算在内的全面分析，结果表明瑞书南和祥瑞德段分别经历了相反方向的构造应力，并在非造山和造山条件下形成。

**作者贡献声明**
柴瑞阳：方法学、调查、正式分析、数据管理、概念化。
周亚楠：资源获取、项目管理、方法学、资金获取、正式分析、概念化。
王腾：方法学、调查、数据管理。
傅强：调查。
滕晓华：调查。
杨晓静：调查。
江楠：项目管理、方法学、资金获取。
陈庆龙：调查。
陈振伟：数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有利益冲突。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42372251、42074075、42274097和42304092）以及2023年一级地质学科建设专项（省级一级项目，项目编号363022301003）的支持。作者感谢Pengfei Wang、Dongwei Liu和Kai Wang在野外工作中的协助，以及Booiman Raphael在语言方面的帮助。