中科大合作提出青藏高原东向生长的新模式

      近日中国科学技术大学地球和空间科学学院张海江教授课题组，与中国地质科学院侯增谦院士、中国科学院地质与地球物理研究所刘丽军研究员等合作，通过学科交叉，综合利用多尺度地震成像、地球化学示踪和地球动力学模拟揭示新生代印度板块在高原东侧的撕裂控制了高原的东向生长，首次提出了“板片撕裂-地幔涡流”控制青藏高原东向生长的新模式。该成果以“Cenozoic eastward growth of the Tibetan Plateau controlled by tearing of the Indian slab” 为题于2024年3月7日在线发表在国际著名学术期刊《Nature Geoscience》上。

      青藏高原是印度板块和亚洲板块在新生代碰撞形成的，具有强烈的多圈层相互作用和广泛的资源环境效应，是地球科学研究的绝佳试验场。青藏高原隆升及东向生长的机制一直是地学研究的热点。尽管国外学者提出了多种高原隆升和东向生长模式，但仍难以完满地解释目前观测到的所有地学数据。研究青藏高原的东向生长机制，首先需要确定高原东侧现今的地幔结构及其在新生代的演化。研究团队首先通过多尺度地震成像获得了区域的地幔和岩石圈高分辨率速度模型，发现俯冲的印度板块在高原东侧北纬26度以北呈现缓俯冲，而在以南呈现陡俯冲，因此在26度附近存在板块撕裂（图1）。地震横波分裂分析发现快横波的极化方向在这里出现了明显的从南北到东西方向的转变，支持地震成像揭示的印度板块俯冲形态的变化（图2）。高原东部约70%的新生代岩浆岩大致沿26度线呈NEE向密集分布，反映板片撕裂为深部地幔热物质提供了上涌通道，触发上覆岩石圈的强烈部分熔融。位于撕裂带内的火成岩具有复杂的岩浆组合，更低的SiO₂含量，更高的Mg#和Nb/U比值，以及更大的Nd同位素变化范围，反映了板片撕裂引起的软流圈上涌与大规模的岩石圈地幔熔融。这些岩浆起始于50 Ma左右，以腾冲附近OIB型基性岩浆为代表，随后从腾冲逐渐向东迁移，在扬子克拉通西缘形成一系列钾质-超钾质岩和岩浆碳酸岩，而后在20 Ma之后发生反转并向西迁移，形成中新世以来的腾冲火山岩，记录了印度岩石圈撕裂带的时空演化过程（图3）。

图1青藏高原东部100-400 km 深度范围内高波速异常（>0.8%）的三维视图。成像显示俯冲的印度岩石圈地幔存在撕裂以及在南北两侧存在差异俯冲，撕裂引起的地幔流以红色箭头显示。

图2研究区域160 km深度的P波速度异常。灰色粗虚线标记了俯冲印度岩石圈地幔的前缘，红色虚线表示印度岩石圈地幔撕裂的位置，黑色粗虚线表示扬子块体的边缘，黑色线段表示SKS横波分裂的快波极化方向，白色线段表示GPS 测量的地表位移方向。

      论文提出，大约~50 Ma，东喜马拉雅构造结附近的应变集中导致俯冲的新特提斯板片和大印度板块交汇处发生了撕裂，伴随俯冲过程，撕裂逐渐向内陆迁移，期间青藏高原以北向生长为主；在40–35 Ma, 俯冲的印度岩石圈地幔受到东侧的刚性扬子克拉通阻挡，导致撕裂的位置停止向内陆迁移，但是两侧的板片继续前行，该过程引起高原东部南北两侧的差异变形，并启动高原的缓慢顺时针旋转；大约20Ma开始，东南侧的印度岩石圈地幔开始失稳变陡，大大增强了俯冲板片内的顺时针扭矩和涡旋地幔流，进而加速板块向西撕裂和回撤。在此过程中，青藏高原内部积累的重力势能进一步加速了地幔涡流通过撕裂的板块窗口向东南方向逃逸，同时载着上方的高原向东生长。该模型还可以解释渐新世-中新世沿着阿尔金断裂大规模的左旋走滑、拉萨和羌塘广泛分布的中新世净东向走滑断层活动以及中新世纪中期以来高原南部南北向分布的裂谷。

      侯增谦院士、刘丽军研究员和张海江教授为论文的共同通讯作者，合作研究单位还包括中国地质大学（北京）、南京大学、重庆大学、伊利诺伊大学香槟分校。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学技术大学创新团队培育基金等项目的支持。

（地空学院，科研部）

文章链接：doi.org/10.1038/s41561-024-01382-9

图3新生代青藏高原由于东部印度岩石圈地幔南北侧差异俯冲导致的演化过程