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劉亮等-NC&GRL:數值模擬與多學(xué)科觀(guān)測聯(lián)合揭示古新世以來(lái)印度北側消亡的“喜馬蘭蒂亞”塊體

撰稿: 發(fā)布時(shí)間:2023-04-10

        古新世以來(lái),曾位于印度次大陸與青藏地塊群之間長(cháng)約1000-2000公里消亡塊體的屬性存在極大的爭議,如:印度次大陸的北側延伸、大洋屬性主導的板塊、或二者不同比例的結合體(圖1)。因為該塊體的消亡過(guò)程在很大程度上決定了青藏高原的形成、演化過(guò)程與機制,并對認識新生代以來(lái)亞洲季風(fēng)形成與氣候演化具有至關(guān)重要的意義,厘清其屬性與消亡過(guò)程,是一個(gè)多世紀以來(lái)的地學(xué)熱點(diǎn)議題之一。
        近日,同位素地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室徐義剛院士團隊劉亮副研究員,與美國伊利諾伊大學(xué)劉麗軍教授、南方科技大學(xué)Jason P. Morgan教授、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所陳凌研究員,借助高精度數值模擬與多學(xué)科觀(guān)測相結合的研究手段,將該消亡板塊限定為:由~600公里長(cháng)的高浮力地塊(如克拉通)與~1400公里長(cháng)的薄地殼地塊(如減薄的大陸架或年輕大洋)共同組成,該研究闡明了地塊的“三階段”消亡過(guò)程,較大程度上解釋了以往看似矛盾的部分地質(zhì)現象,并遵照學(xué)術(shù)慣例將其命名為“喜馬蘭蒂亞”。
 
圖1 古新世以來(lái)印度次大陸與青藏地塊群之間消亡塊體的端員模型
        研究團隊首先模擬了不同端員模型的俯沖、碰撞過(guò)程(圖1),重點(diǎn)關(guān)注不同模型中增生地殼(喜馬拉雅地層)物質(zhì)量的演化、“喜馬拉雅山系”的古高程演化、板內巖漿活動(dòng)的時(shí)空分布、上覆巖石圈的地殼厚度與地形演化、“青藏高原”的現今規模、以及“當今”高原之下的上地幔結構等模型指征(圖2)。隨后,通過(guò)將以上指征與前人的多學(xué)科觀(guān)測約束相比較,發(fā)現:1)單一的大陸型俯沖會(huì )產(chǎn)生過(guò)寬的喜馬拉雅地層、過(guò)少的板內巖漿、以及過(guò)大的“青藏高原”;2)大洋主導的俯沖過(guò)程幾乎不殘留增生地殼物質(zhì),且上盤(pán)板內巖漿活動(dòng)長(cháng)期活躍、當今的高原過(guò)??;而3)高浮力地塊與薄地殼地塊先后俯沖的模型,既可以“重現”早期陸-陸碰撞導致的地表隆升等指征、又較好地再現了高原之上巖漿活動(dòng)等的時(shí)空分布與演化規律。最終,基于模擬與觀(guān)測的聯(lián)合約束,研究團隊提出了喜馬蘭蒂亞模型(圖3)。
        本研究提出,喜馬蘭蒂亞的消亡過(guò)程大致分為三個(gè)階段:高浮力地塊的低角度底墊,薄地殼地塊的俯沖、后撤與斷離(slab rollback & tearing),印度次大陸的最終碰撞與部分俯沖(圖2)。該模型在較大程度上融合了“大印度”與“大印度洋盆”為代表的端員模型,在一定程度上調和了二者看似矛盾的部分核心證據鏈:1)因為早期的高浮力地塊底墊會(huì )導致青藏中-北側的隆升,而稍晚的薄地殼地塊俯沖會(huì )導致青藏中南部的沉降與凹陷,該模型或可解釋始新世“原青藏高原”與“青藏高原中央谷地”共存的原因;2)薄地殼地塊同樣可以被海水覆蓋(如亞洲東側與西北利亞北側的大陸架、新西蘭及周邊大陸架Zealandia等),該特征或可解釋青藏南側初始碰撞>20 Myr后,特提斯海道(Seaway)及相關(guān)海相沉積才徹底消失的現象;3)因為薄地殼地塊在其俯沖階段對上盤(pán)持續施加向下的拖拽作用,該模型或可解釋喜馬拉雅山系在近20 Myr以來(lái)才加快抬升的原因。此外,若假設模型中的薄地殼地塊是大洋屬性,其消亡過(guò)程中形成的“蛇綠巖套”會(huì )部分殘留至現今,因此,本項工作可能暗示了喜馬蘭蒂亞的大陸主導屬性,這也與前人在青藏高原和印度次大陸之間僅識別出一條縫合帶的事實(shí)相吻合。然而,考慮到“不存在證據并不能作為不存在的證據”,本研究尚不足以最終明確喜馬蘭蒂亞“薄地殼”部分的屬性,期望在后續研究中持續探索。
 
圖2 “喜馬蘭蒂亞”數值模型。(a)-(h) 模型初始條件與演化過(guò)程。藍色箭頭—流體遷移,綠色箭頭—熔體遷移。(j) 模型中板內巖漿分布(紅色)與觀(guān)測(灰色)的對比。(k) 模型中當今上地幔結構(藍色線(xiàn))與觀(guān)測(P波地震層析成像,Li et al., 2008)的對比,剖面大致位置見(jiàn)i.
 
圖3 “喜馬蘭蒂亞”概念模型。(a) 始新世早期喜馬蘭蒂亞的分布與幾何特征。(b)-(c) 喜馬蘭蒂亞可能的當今類(lèi)似物(又如西伯利亞北側的大陸架)
        誠然,青藏高原的形成與演化過(guò)程絕非僅由喜馬蘭蒂亞俯沖控制,諸如上盤(pán)原有的薄弱帶及深部的地幔風(fēng)等因素,均可能在不同階段起到過(guò)不容忽視的作用。本研究旨在拋磚引玉,以期為青藏高原的多學(xué)科聯(lián)合研究進(jìn)展添磚加瓦!
        論文中的數值模型借助劉亮主導升級的熱-動(dòng)力學(xué)數值模擬程序完成,該程序有自適應型網(wǎng)格(A2ML)、非線(xiàn)性粘-密度、熔-流體遷移、以及初步的巖漿組成模擬等算法,功能接近、并部分達到國際領(lǐng)先水平。
        研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》(Nature Communications)與《地球物理快報》(Geophysical Research Letters)。本項研究受到廣東省基礎與應用基礎研究基金重大項目(2019B030302013)和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2022YFF0801002)的聯(lián)合資助。
        論文信息:
        Liu, L.*(劉亮), Liu, L.J.*(劉麗軍), Morgan, J.P., Xu, Y.-G.(徐義剛), and Chen, L.(陳凌) (2023). New constraints on Cenozoic subduction between India and Tibet. Nat Commun 14, 1963. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37615-5.
        文章鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-023-37615-5.
        Liu, L.(劉亮), Liu, L.J.(劉麗軍), & Xu, Y.-G. (徐義剛) (2021). Intermittent post-Paleocene continental collision in South Asia. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094531. https://doi.org/ 10.1029/2021GL094531.
        文章鏈接https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094531.
 

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