科研信息

刘亮等-NC&GRL：数值模拟与多学科观测联合揭示古新世以来印度北侧消亡的“喜马兰蒂亚”块体

撰稿：发布时间：2023-04-10

古新世以来，曾位于印度次大陆与青藏地块群之间长约1000-2000公里消亡块体的属性存在极大的争议，如：印度次大陆的北侧延伸、大洋属性主导的板块、或二者不同比例的结合体（图1）。因为该块体的消亡过程在很大程度上决定了青藏高原的形成、演化过程与机制，并对认识新生代以来亚洲季风形成与气候演化具有至关重要的意义，厘清其属性与消亡过程，是一个多世纪以来的地学热点议题之一。

近日，同位素地球化学国家重点实验室徐义刚院士团队刘亮副研究员，与美国伊利诺伊大学刘丽军教授、南方科技大学Jason P. Morgan教授、中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员，借助高精度数值模拟与多学科观测相结合的研究手段，将该消亡板块限定为：由～600公里长的高浮力地块（如克拉通）与～1400公里长的薄地壳地块（如减薄的大陆架或年轻大洋）共同组成，该研究阐明了地块的“三阶段”消亡过程，较大程度上解释了以往看似矛盾的部分地质现象，并遵照学术惯例将其命名为“喜马兰蒂亚”。

图1 古新世以来印度次大陆与青藏地块群之间消亡块体的端员模型

研究团队首先模拟了不同端员模型的俯冲、碰撞过程（图1），重点关注不同模型中增生地壳（喜马拉雅地层）物质量的演化、“喜马拉雅山系”的古高程演化、板内岩浆活动的时空分布、上覆岩石圈的地壳厚度与地形演化、“青藏高原”的现今规模、以及“当今”高原之下的上地幔结构等模型指征（图2）。随后，通过将以上指征与前人的多学科观测约束相比较，发现：1）单一的大陆型俯冲会产生过宽的喜马拉雅地层、过少的板内岩浆、以及过大的“青藏高原”；2）大洋主导的俯冲过程几乎不残留增生地壳物质，且上盘板内岩浆活动长期活跃、当今的高原过小；而3）高浮力地块与薄地壳地块先后俯冲的模型，既可以“重现”早期陆-陆碰撞导致的地表隆升等指征、又较好地再现了高原之上岩浆活动等的时空分布与演化规律。最终，基于模拟与观测的联合约束，研究团队提出了喜马兰蒂亚模型（图3）。

本研究提出，喜马兰蒂亚的消亡过程大致分为三个阶段：高浮力地块的低角度底垫，薄地壳地块的俯冲、后撤与断离（slab rollback & tearing），印度次大陆的最终碰撞与部分俯冲（图2）。该模型在较大程度上融合了“大印度”与“大印度洋盆”为代表的端员模型，在一定程度上调和了二者看似矛盾的部分核心证据链：1）因为早期的高浮力地块底垫会导致青藏中-北侧的隆升，而稍晚的薄地壳地块俯冲会导致青藏中南部的沉降与凹陷，该模型或可解释始新世“原青藏高原”与“青藏高原中央谷地”共存的原因；2）薄地壳地块同样可以被海水覆盖（如亚洲东侧与西北利亚北侧的大陆架、新西兰及周边大陆架Zealandia等），该特征或可解释青藏南侧初始碰撞>20 Myr后，特提斯海道（Seaway）及相关海相沉积才彻底消失的现象；3）因为薄地壳地块在其俯冲阶段对上盘持续施加向下的拖拽作用，该模型或可解释喜马拉雅山系在近20 Myr以来才加快抬升的原因。此外，若假设模型中的薄地壳地块是大洋属性，其消亡过程中形成的“蛇绿岩套”会部分残留至现今，因此，本项工作可能暗示了喜马兰蒂亚的大陆主导属性，这也与前人在青藏高原和印度次大陆之间仅识别出一条缝合带的事实相吻合。然而，考虑到“不存在证据并不能作为不存在的证据”，本研究尚不足以最终明确喜马兰蒂亚“薄地壳”部分的属性，期望在后续研究中持续探索。

图2 “喜马兰蒂亚”数值模型。(a)-(h) 模型初始条件与演化过程。蓝色箭头—流体迁移，绿色箭头—熔体迁移。(j) 模型中板内岩浆分布（红色）与观测（灰色）的对比。(k) 模型中当今上地幔结构（蓝色线）与观测（P波地震层析成像，Li et al., 2008）的对比，剖面大致位置见i.

图3 “喜马兰蒂亚”概念模型。(a) 始新世早期喜马兰蒂亚的分布与几何特征。(b)-(c) 喜马兰蒂亚可能的当今类似物（又如西伯利亚北侧的大陆架）

诚然，青藏高原的形成与演化过程绝非仅由喜马兰蒂亚俯冲控制，诸如上盘原有的薄弱带及深部的地幔风等因素，均可能在不同阶段起到过不容忽视的作用。本研究旨在抛砖引玉，以期为青藏高原的多学科联合研究进展添砖加瓦！

论文中的数值模型借助刘亮主导升级的热-动力学数值模拟程序完成，该程序有自适应型网格（A2ML）、非线性粘-密度、熔-流体迁移、以及初步的岩浆组成模拟等算法，功能接近、并部分达到国际领先水平。

研究成果发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）与《地球物理快报》（Geophysical Research Letters）。本项研究受到广东省基础与应用基础研究基金重大项目（2019B030302013）和国家重点研发计划项目（2022YFF0801002）的联合资助。

论文信息：

Liu, L.*（刘亮）, Liu, L.J.*（刘丽军）, Morgan, J.P., Xu, Y.-G.（徐义刚）, and Chen, L.（陈凌） (2023). New constraints on Cenozoic subduction between India and Tibet. Nat Commun 14, 1963. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37615-5.

文章链接https://www.nature.com/articles/s41467-023-37615-5.

Liu, L.（刘亮）, Liu, L.J.（刘丽军）, & Xu, Y.-G. （徐义刚） (2021). Intermittent post-Paleocene continental collision in South Asia. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094531. https://doi.org/ 10.1029/2021GL094531.

文章链接https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094531.

科研信息

刘亮等-NC&GRL：数值模拟与多学科观测联合揭示古新世以来印度北侧消亡的“喜马兰蒂亚”块体

附件：