国科大计算地球动力学重点实验室在青藏高原岩石圈结构差异性研究中取得进展

  • 文/图 皇甫鹏鹏 常越 (地球与行星科学学院)
  • 创建于 2018-09-25
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中国科学院大学计算地球动力学重点实验室李忠海研究员及其博士后皇甫鹏鹏对青藏高原东西部岩石圈结构差异性机制问题开展了深入研究,取得重要进展,相关研究成果Multi-terrane structure controls the contrasting lithospheric evolution beneath the western and central–eastern Tibetan plateau于2018年9月17日在线发表在Nature杂志子刊Nature Communications上(2018 September 17:3780)。皇甫鹏鹏为第一作者,李忠海研究员为通讯作者。

喜马拉雅–青藏高原造山带作为现今地球的“世界屋脊”,是新生代乃至显生宙以来地球上所发生的、且也是目前正在进行的最重要的造山带(图1)。青藏高原不仅是探讨大陆汇聚中的物理、化学过程的绝佳场所,而且也是研究地球系统科学的天然实验室。因此,对该造山带形成演化过程的研究在大陆动力学和亚洲气候生态领域都具有十分重要而显著的科学意义。虽然大量地球物理观测都揭示出青藏高原现今东西部岩石圈结构的巨大差异性以及相应的壳幔结构演化的可能差异性,但是对该差异性的力学机制和控制要素的认识仍严重不足。

近几十年针对青藏高原及其周边区域的地球物理、大地构造和地球化学工作都同时显示出喜马拉雅–青藏高原造山带的深部壳幔结构在其走向方向上(东–西向)表现出渐进式变化(图2)。在西部(82°以西),印度岩石圈地幔水平下插于高原之下,并向北延伸至塔里木盆地南缘。而在中–东部(82°以东),印度大陆板片最远抵达至班公湖–怒江缝合带,且印度大陆向北下插的水平距离向东逐渐减小,直至在雅江缝合带即陡立进入软流圈。换言之,在高原西部,原青藏岩石圈地幔在印藏碰撞过程中已完全与上覆地壳发生拆离,并被向北运动的印度大陆岩石圈地幔所替代。但在高原中–东部,至今仍保留着原青藏岩石圈地幔,而该留存地幔表现为高温、低速、Sn波缺失及强烈的SKS各向异性(图1紫色虚线区域)。

青藏高原另一显著特征是其由一系列在中生代及之前拼贴的地体单元构成。主要的地体单元由南向北分别为拉萨、羌塘、松潘–甘孜、昆仑–柴达木及祁连地体等。这些地体具有截然不同的构造属性和演化历史,并整体表现出“南”(拉萨和羌塘地体)强“北”(松潘–甘孜及其以北所有地体)弱的流变结构特征。

上述的青藏高原东西向岩石圈结构差异性是如何形成的?它与“南强北弱”的多地体结构特征的内在联系是什么?为了回答该问题,研究者们通过建立系统数值模型试验,来定量化研究初始“多地体”结构的流变属性和几何参数对地体变形模式的制约作用。模型结果显示,强地体的几何宽度显著控制碰撞过程中地体的拆离变形行为。当强地体较窄时,大陆持续汇聚将导致所有地体岩石圈地幔发生拆离;最终俯冲大陆水平垫置于整个碰撞区域之下,并与远端大陆直接接触。我们称这一类模型结果为“地体完全拆离”模式(图3)。而当强地体较宽时,大陆汇聚的远程效应首先诱使较远处弱地体向强地体之下俯冲、拆离,随后俯冲大陆和远端大陆相向俯冲于残留的地体岩石圈地幔之下,形成复杂的深部岩石圈结构。我们称这类模型结果为“地体不完全拆离”模式(图4)。

这两类地体变形模式,在深部岩石圈结构和碰撞后岩浆岩时空分布规律上,都分别与青藏高原西部和中–东部的相吻合。另外,两类地体变形模式都分别预测了两期重要的拆离事件,分别是新特提斯洋板片在碰撞后不久的断离和大陆汇聚过程中的地体拆沉。这也与现今印度–青藏高原之下1000 km处的地震层析成像结果相吻合,因为在该深度处发现的两个近东西走向的条带状异常高速体也同样被地物物理学家们解释为两次拆沉事件的结果。该研究首次揭示出多地体几何形状对碰撞过程中地体变形行为的制约作用,对青藏高原深部岩石圈结构差异性机制研究提供重要的理论参考价值。

该研究得到了中科院先导专项及国家自然科学基金等的支持。

论文信息:Huangfu, P., Li, Z.-H., Gerya, T., Fan, W., Zhang, K.-J., Zhang, H., Shi, Y., 2018. Multi-terrane structure controls the contrasting lithospheric evolution beneath the western and central–eastern Tibetan plateau. Nature Communications 9, 3780.

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-06233-x

 

1 喜马拉雅青藏高原大地构造简图

2 青藏高原西部及中东部岩石圈壳幔结构

图3 “地体完全拆离”模式演化结果

4 “地体不完全拆离模式演化结果

责任编辑:余玉婷