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梁晓峰等-SciB:喜马拉雅造山作用会终结吗?
2024-01-18 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

全球层析成像结果表明大洋岩石圈能俯冲至地幔最深处。俯冲板片的拖曳力驱动了板块运动,同时造成了地球深浅物质的循环。随着大洋关闭大陆发生碰撞作用,由于大陆地壳密度低,在碰撞过程中浮力会造成大陆强烈变形并降低板块汇聚速率。以往研究认为,碰撞过程中由于大陆浮力大,大洋板块会随着碰撞作用与大陆板块发生断离,碰撞作用也随之减弱直至停止。然而矿物学证据和地球物理观测均表明大陆板块也能发生深俯冲(俯冲深度大于100 km甚至200 km)。既然大陆也能发生深俯冲作用,为什么大陆碰撞不能像大洋俯冲一样持续进行?显然大陆碰撞为何结束、如何结束需要新的解释。印度与欧亚大陆的碰撞形成了喜马拉雅造山带和青藏高原,这里既是世界屋脊,也是正在发生大陆深俯冲的典型地区,是解答上述科学问题最理想的地区。

新京葡萄最新官网岩石圈演化国家重点实验室梁晓峰副研究员、褚杨研究员、万博研究员、陈凌研究员、陈林研究员、李仪兵博士、田小波研究员、徐涛研究员、陈赟副研究员、李杨副研究员、纪伟强研究员、美国德克萨斯大学奥斯汀分校Stephen Grand教授、密苏里大学Eric Sandvol教授和桂林理工大学王敏玲副教授组成的国际研究团队,基于过去二十年国内外研究机构在青藏高原采集的流动地震台阵观测数据(图1),采用高分辨率有限频地震层析成像技术,获得了印度-欧亚碰撞带上地幔波速精细结构(图2)。由于分辨率的显著提高,成像结果揭示地幔过渡带内(410-660 km深度范围)存在多个分离的高速异常体,且这些异常体与正在俯冲的印度板片前端,形态贴合,可类似拼图一样拼接起来,表明这些异常体可能是俯冲断离的印度大陆岩石圈残块(图3)。基于这一认识,研究团队进一步重建了印度大陆北缘的初始形态,并利用热力学平衡方法恢复得到俯冲岩石圈所产生的拖曳力,定量评估了其对于板块汇聚的贡献(图4)。结果表明,俯冲岩石圈的断离会导致板片拖曳力减小,从而降低印度-欧亚板块的汇聚速率,且岩石圈断离时间与板块汇聚速率降低之间存在时间对应关系。上述观测意味着随着俯冲岩石圈的反复断离,印度和欧亚板块之间的汇聚将最终停止,导致两个大陆最终拼合直至稳定。

图1 本研究使用的地震台站分布图。不同颜色代表了不同时间布设的流动台站。印度板块上分布的深灰色条带为前人发现的印度基底隆起,可能代表了古老的造山带

图2 层析成像获得的青藏高原深部结构图像。(a)显示了沿不同垂直剖面的速度异常分布,其中的虚线勾勒了可能的印度俯冲板片分布范围。剖面位置显示在图b中。(b)显示了沿不同深度的速度异常分布。HV1-HV4为论文重点讨论的4个高速异常特征

图3 印度大陆北缘俯冲演化卡通图。(a) 晚始新世期间,印度板块北部向北俯冲。(b) 印度岩石圈部分断离沉入地幔过渡带,显示为高速异常体HV2,而未断离的岩石圈,则产生板块拖曳力并维系俯冲继续进行。岩石圈的断离启动了藏南地区的裂谷活动,如图中的两个棕色条带所示。(c) 印度岩石圈的另一部分HV1发生断离并沉入地幔过渡带。其断离过程伴随着超钾火山活动的发生和裂谷活动的延续。(d) 现今地幔过渡带中高速异常体的分布

图4 随着板片断离,板片拖曳力减小,印度-欧亚间汇聚速率逐渐减小。其中粉色为印度-欧亚间的汇聚速率,蓝色虚线表示板片拖曳力随时间的变化

该研究通过对印度-欧亚碰撞带上地幔高分辨率地震层析成像研究,发现地幔过渡带内存在多个高速异常体,提出俯冲印度大陆岩石圈的持续断离,将最终使喜马拉雅造山作用停止的重要见解。

研究成果发表于国内综合性SCI期刊Science Bulletin(Liang X, Chu Y, Wan B, Chen L, Chen L, Sandvol E, Grand S P, Li Y, Wang M, Tian X, Chen Y, Xu T, Li Y, Ji W-Q. Fragmentation of continental subduction is ending the Himalayan orogeny[J]. Science Bulletin, 2023, 68: 3048-3054. DOI: 10.1016/j.scib.2023.10.017.)。

 
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