自45Ma以來印度板塊與歐亞板塊陸陸碰撞形成高海拔的青藏高原和喜馬拉雅山脈(圖1)，研究發現不僅印度板塊與歐亞板塊之間發生匯聚，而且青藏高原內部至今仍發生板內變形，而匯聚帶的寬度因喜馬拉雅弧而異。國內外學者已提出了許多巖石圈過程模型：印度板塊俯沖，青藏高原中北部下地殼流，青藏高原地殼面狀縮短增厚，青藏高原巖石圈下部分對流剝離，印度和亞洲邊緣的板內俯沖與陸塊逃逸，等等。然而，大地測量、地質構造研究多數基于地表觀測，屬于地殼尺度的范疇，而對與巖石圈地幔范疇的研究較少。因此，青藏高原的地幔巖石圈過程及其對高原隆升、構造演化的作用至今并不明朗且存在爭議。
圖1 青藏高原以及相鄰區域地質簡圖。
地震層析成像可以描繪地幔巖石圈的結合形態和空間范圍，進而為青藏高原構造演化提供證據，然而，已有的不同地震成像結果復雜化了地幔巖石圈過程解釋。由美國7位科學家組成的研究團隊利用地震背景噪聲伴隨成像新技術對青藏高原周緣做了地幔巖石圈結構成像。他們發現高原中南部下方一個T形高速結構，推斷為漸新世巖石圈拆沉殘余，巖石圈對流剝離導致高原南部隆升與巖漿作用，而高原巖石圈拆沉激發軟流圈拖曳力，導致印度巖石圈持續俯沖和高原北部巖石圈縮短增厚；同時，發現高原北部地幔頂部存在狹窄低速帶，推斷高原北部地表隆升與軟流圈上涌、巖石圈熱侵蝕密切相關。
圖2 剪切波在不同深度的異常。
從地震成像結果看出（圖2），青藏高原地幔淺于250 km的近水平高速結構被推斷為向高原俯沖的印度巖石圈，其厚度可達100-150 km。印度巖石圈俯沖帶從主前斷裂以~10o的低角度向北延伸到金沙縫合帶（JS），并不是前人所認為的延伸到班公怒江縫合帶（BNS）南部。地震活動主要發生在印度巖石圈俯沖帶上界面且淺于100 km。印度巖石圈俯沖帶內部未見有大規模低速異常，即不支持拆沉或軟流圈上涌引起的錯段。高原南部地幔頂部局部可見的低速異常相對孤立，推測為地殼構造熱或放射性熱產生的部分熔融，而不是地幔驅使的。然而，印度巖石圈存在東西向的不均勻性，說明俯沖與前期存在的局部薄弱帶相互作用。
圖3 青藏高原橫波速度結構三維可視化。
EARA2014模型的橫波速度擾動：深紅-4%、紅-2%、藍色2%。綠線標注了IYS、BNS、JS、AKMS四條縫合帶。四個切片分別沿深度410km、660km和經度83oE、92oE提取。(a, b, c) 分別是從南部向上看、南部向下看、東部看印度、亞洲巖石圈及可能部分熔融的空間展布。
在高原中南部，印度巖石圈俯沖帶下方存在T形高速結構，上層在轉換帶上方高150 km、寬~750 km（IYS南部至BNS北部），下層處于轉換帶高~250 km、寬~200km（IYS至BNS）。該T形高速結構與西太平洋地區常見的狹長高速帶不同，其形體寬、無地震活動性，意味著它不是俯沖洋殼而是大陸巖石圈。該T形高速結構可能是印度巖石圈或青藏高原巖石圈或兩者組合的拆沉。根據超鉀質和埃達克質巖漿作用的時間，推測高原南部巖石圈拆沉的時間從~30 Ma持續到~9 Ma巖石圈拆沉驅使軟流圈回流產生的漸新世地表隆升與超鉀質和埃達克質巖漿作用，巖石圈持續拆沉激發軟流圈拖曳力，促使印度巖石圈持續向北俯沖和高原北部巖石圈縮短增厚。
圖4 推斷的青藏高原構造演化模式
推斷是基于剖面C的地震成像結果及前人的巖漿作用研究。(a) 30-25 Ma：陸陸碰撞而巖石圈增厚，對流引發巖石圈根部剝離和地表隆升，(b) 25-15 Ma：高原南部持續巖漿作用，而地幔巖石圈頂部的部分熔融和熱侵蝕，(c) 15-10 Ma：印度巖石圈持續北向俯沖減少高原南部巖漿作用的熱源，(d) 當前：高原南部被印度巖石圈完整俯沖到JS的南部，而高原北部的巖漿作用持續。
在高原北部，青藏高原巖石圈可能受軟流圈上涌而熱侵蝕或熱改造。上地幔頂部的強低速帶與近期（~15-0 Ma）的鉀質巖漿作用空間上密切相關，支持高原北部的軟流圈上涌觀點。軟流圈上涌而熱改造導致地幔巖石圈輕快，從而支撐高原北部地表隆升。
該項研究發表于國際自然科學領域頂級期刊《Nature Communications》上： Chen M., Niu, F., Tromp, J., Lenardic, A., Lee, C. A., Cao, W., Ribeiro, J.. Lithospheric foundering and underthrusting imaged beneath Tibet. Nature Communications, 2017, 8: 15659.
來自：中國地質大學（北京）
（文：郭良輝譯/地球物理與信息技術學院）
