2015年05月09日 星期六

发布时间:2020-09-30

中国地质科学院 史大年等 联合美国斯坦福大学研究人员 ,利用地震成像成功揭示了印度与欧亚大陆碰撞创造喜马拉雅山脉和青藏高原的神奇过程。该项 成果已 于2020年9月21日在线 发表 于 国际著名 学术 期刊 PNAS ( htt ps://www.pnas.org/content/early/2020/09/18/2000015117 ; Shi D . , Klemperer S. L., Shi J . , Wu Z . , Zhao W . , 2020, Localized foundering of Indian lower crust in the India–Tibet collision zone. Proceedings of the National Academy of Sciences, DOI: 10.1073/pnas.2000015117 ) 。

大陆碰撞及演化过程是当今世界地球科学研究的前沿,深部探测则是揭示碰撞和演化过程的有效手段。自 2011年以来,中国地质科学院已先后在藏南布设了数百个天然地震探测台站,利用其中159个 沿 东西向 剖面 密集分布的地震台站,研究者获得了 2条 近 1000 -km长、横切印度与欧亚碰撞带前缘的长剖面 , 揭示了 印度与欧亚大陆碰撞结构、 喜马拉雅深地震活动成因和 控制藏南裂谷带形成的印度下地壳拆沉过程。

该项研究为平息目前国际上关于印度与欧亚大陆碰撞带结构的激烈争论做出了贡献。 印度与欧亚 碰撞带是目前地球上唯一仍在活动的陆陆碰撞带,碰撞过程导致了如 2015年造成大约 9000人死亡数千人受伤的 尼泊尔Gorkha 大地震。新地震图像揭示了受喜马拉雅山脉弯曲形状控制的碰撞带结构变化、印度板块在青藏高原下面的消减方式和藏南深地震活动的成因。观测结果表明在碰撞带内同时发生着“底垫(underplating)”和“拆沉(foundering)”这两种截然不同的深部地质过程。

“受自然和交通条件的限制,以往的多数研究要么剖面长度不够难窥碰撞带全貌,要么分辨精度不够难以揭示碰撞过程细节”,史大年研究员介绍道 , “从真正意义上,我们这是首次获得了沿走向方向上能反映碰撞带结构变化的比较完整 、 可信的图像”。

印度与欧亚大陆的持续碰撞造就了目前地球上最大、最高的高原 - 青藏高原,该碰撞过程开始于大约57个百万年之前,只有非常短暂的地质历史。不同的研究者对高原的形成过程提出了许多不同的解释,形成了两大对立的观点:认为印度和西藏地壳与岩石圈以接近塑性流动的方式缩短,或认为印度地壳以接近刚性板块的方式插入到了整个青藏高原的下面。

因为藏南裂谷南北走向,道路也南北走向,所以过去地震剖面基本上也南北向布设。

“我们 过去 把从东到西的一切地质作用均按一个单一的俯冲/底侵过程来处理,因为过去地震仪就布设在这些相当特殊的地质部位,所以,我们的认识常被这些特殊部位的研究成果所误导”,论文的合作者、美国斯坦福大学著名的地球物理学教授Simon Klemperer说道。

新的东西向长剖面揭示了受喜马拉雅弧形弯曲影响,印度下地壳的破损及撕裂状态。

“我们看到的一个我们从未见过的细节”,论文共同作者、地科院副院长吴珍汉研究员说道。“研究人员没有顺着裂谷,而是翻山越岭地沿东西向剖面布设密集地震台站、采集地震数据,为该项研究成果的取得付出了英雄般的努力”,论文的共同作者、著名的青藏高原研究专家赵文津院士补充道。

碰撞带内的 地壳增厚与减薄

随着印度板块向北移动,印度岩石圈地幔(板块中最硬的部分)正向北插到了藏南下面。成像结果显示,与此同时,在藏南两个地表裂谷带( 桑日 裂谷和申扎裂谷)下面,印度板块的一小部分正从印度板块断离,印度板块出现破损或撕裂状态。成像结果显示的板块破损或撕裂位置对理解像尼泊 尔 Gorkha这样 大地 震能扩展多远至关重要。

“这些断层之间的迁移和跳跃,对地震预测非常重要,但它们的规模通常未知,常在地震发生后才会知道”,史大年研究员说道。

一个不同寻常之处是藏南常发生深度大于60km的深源地震。利用成像结果,研究者发现了这些深源地震与板块破损之间存在空间上的联系。

“印度的一部分下地壳已经发生拆沉(脱落),我们称之为“去雹”作用 ( de-blob bing) ”,史大年研究员补充道,“现在我们知道它不仅仅发生拆沉,而且会触发地震。我们认为是这些深源地震最终导致了板块破损并产生撕裂”。

该项研究也解释了为什么碰撞带内卫星重力强度会发生变化。研究者依据地震成像和卫星重力模拟结果提出印度下地壳处于重力稳定状态(密度大约 3 .05 g/cm 3 ,略小于 3 .3 g/cm 3 的正常地幔密度)和化学亚稳定状态(大约 30 %榴辉岩化),由于缺水阻止了榴辉岩化作用的进一步发展,但在裂谷带下方,沿裂谷上升的地幔流体及挥发分导致亚稳定状态的印度克拉通(镁铁质)下地壳发生迅速的榴辉岩化,从而失去重力稳定性(10 0 %榴辉岩化密度大约为 3 .45 g/cm 3 ),发生拆沉并触发深源地震。拆沉也导致了软流圈地幔物质的上涌。印度下地壳拆沉解释了碰撞带内观测到的、长期困扰地质学家的物质不平衡现象。

青藏高原是 地学研究的天然实验室

除了是探险和旅游的最佳场所,喜马拉雅和青藏高原也是地学研究 最 理想的天然实验室。该地区拥有世界级的铜、铅、锌、金和银矿床,以及对现代科学技术至关重要的稀有元素锂、锑和铬。青藏高原的隆升驱动全球气候变化,塑造了人类赖以生存的环境、 孕 育了哺育我们生命的河流。

该研究区也为我们窥探世界上其他高原形成奥秘提供了难得的机会,比如像中国东部的古高原,该高原形成于中生代中国东部的陆陆碰撞,但此高原在大约125百万年前就已垮塌。

“了解当今世界上其他高原以及中国东部中生代古高原发生、发展过程的唯一途径就是来到青藏高原”,赵文津院士最后强调,“对于地质学家来说,这是当今地球上发生的一次规模宏大的大陆碰撞事件,也是我们可以研究大陆碰撞过程的天然实验室”。

该项研究由国家自然科学基金和地质调查项目联合资助,美方人员获得了美国国家基金会的资助。

 

图1、印度-欧亚大陆碰撞结构和过程剖视图。地震接收函数成像和卫星重力模拟显示印度下地壳(图中下地壳绿色区域)已部分(大约30%)榴辉岩化,从喜马拉雅向北推进到了藏南冈底斯山脉(大约31  N)的下面,地震层析成像显示印度下地壳和岩石圈上地幔在桑日(CSG)和申扎(PXG) 两个裂谷带下面,呈冷的、高波速团块状拆沉并进入了地幔(地幔中绿色区域),与此同时软和热的软流圈物质产生了上涌现象(地幔中棕褐色区域)。

图2、申扎裂谷带同时可观测到众多热泉,大面积地面高温烘烤,以及来自地幔深处的地幔流体活动等现象。