喜马拉雅山脉傲居世界之颠，由一众高于7000米山峰构成长达2500km山链，珠穆朗玛峰海拔8848米屹立其列，俯视其呈现向南凸出的近乎完美的半个椭圆弧形，宛如一张拉满的“天弓”，构成地球上一道靓丽风景线，吸引了科学家好奇和探索欲望。但是喜马拉雅弧形山脉的成因、与印度板块与亚欧板块碰撞的关系、及其几何形状对沿喜马拉雅山前碰撞带速率与弧前碰撞带大地震周期的影响机制等，一直是地学研究的热点问题。

作者从分析喜马拉雅山脉尖端东西部的两个构造结：东部的南迦巴瓦峰（7,782 m）和西部的南迦帕尔巴特峰（8,126 m），及其间的喜马拉雅山脉的几何与运动学特征，聚焦MFT（主前锋逆冲断层））和MCT（主中央逆冲断层）两个运动界面，分析沿这两条大型逆冲断层走向的大尺度大地测量数据以及历史大地震震源机制，并结合位于哈扎拉和阿萨姆邦区域内的南迦帕尔巴特峰和南迦巴瓦峰峰前断裂逆冲断层的野外测量等基础数据和分析研究结果，构建了喜马拉雅山脉大变形数学力学模型。

研究结果提出，在喜马拉雅山脉两端存在近乎南北走向的走滑断裂（查曼与实皆断裂）尖端，构成了东西两个构造结的固定砥柱，其间的喜马拉雅山脉沿着MFT和MCT两条断层向南大规模不均匀逆冲，吸收了碰撞主体变形，形成长短轴比约3的完美的半椭圆状的弧形山脉。在这种变形机制下，由于山脉两端构造结与前弧变形差异，导致了位于构造结处碰撞缩短量较小，地震周期较长，而前弧碰撞缩短量较大，地震周期较短，前者约6 mm/yr、2000年，后者约18 mm/yr、700年。通过离散元(DEM)数值模拟，根据喜马拉雅碰撞带几何与变形受力特征，简化边界条件，设计数学力学模型，再现了在印度与欧亚大陆碰撞下，东西两个构造结固定并与印度板块一同以20mm/yr的速度碰撞欧亚大陆，欧亚大陆在碰撞带持续向南变形，在近18 Myr后形成近乎完美的半椭圆弧形山脉，模拟了喜马拉雅山脉发育成形过程，与现今已有大地测量数据对比，从而揭开了这完美弧形山脉的物理力学机制和奥秘。

该研究显示了基于地质学、古地震数据观测、大地测量学数据分析、数学模型分析与数值模拟计算研究在探索山脉成形机制以及碰撞带地震周期方面的潜力，并将会引起来自不同学科地球科学家的广泛兴趣，包括地质学、大地测量学、地震学、古地震学和第四纪地质学。

图1 喜马拉雅山脉地质、GPS与以及大地震分布示意图

（A和B：喜马拉雅山脉主冲断层MCT和MFT以及印度/亚洲雅卢藏布江缝合带以南以及南迦帕尔巴特峰和南迦巴瓦峰之间的构造弧形；C：北印度/南西藏大规模断层活动）

图2 DEM数值方法模拟喜马拉雅山脉弧形形成机制示意图

成果以“喜马拉雅山脉弧形：由走滑断裂尖端构造结固定的椭圆弧（The shape of the Himalayan “Arc”: an Ellipse pinned by syntaxial strike-slip fault tips）”为题，在线发表于2024年1月17日《美国国家科学院院刊》（PNAS ，Proceedings of the National Academy of Sciences）[1]，同时被选入PNAS Showcase（KUDOS Publication）作为本期重点展示作品推出：“Why do the Himalayan mountains exhibit a curved shape?”。成果在国家自然科学基金项目（批准号：42372273）与中国地质科学院基本科研业务费项目（JKY202202）等资助下，自然资源部深地科学与探测技术实验室、中国地质科学院焦利青研究员（一作和通讯作者）与国家自然灾害防治研究院Paul Tapponnier教授、法国国家铁路局灾害防治中心Aurélie Coudurier-Curveur Mccallum博士，中国地质大学（北京）徐锡伟教授合作完成。

论文链接：www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313278121；PNAS Showcase 链接：https://www.growkudos.com/publications/10.1073%25252Fpnas.2313278121/reader

特别声明：论文审稿通过最后修改之际，Paul Tapponnier教授不幸因病于2023年12月24日在北京去世。此文献给这位青藏高原岩石圈变形研究先驱和挤出模型、滑线场理论创立者，法国科学院院士、美国科学院院士，国际著名大地构造学家，Paul Tapponnier教授。我们永远怀念他！

图3 焦利青研究员与Paul Tapponnier 教授 （2023于北京）

参考文献：

1.Jiao, L.*, P. Tapponnier, A. Coudurier-Curveur Mccallum, and X. Xu (2024), The shape of the Himalayan “Arc”: An ellipse pinned by syntaxial strike-slip fault tips, Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(4), e2313278121, doi:10.1073/pnas.2313278121.