印度—欧亚大陆碰撞是全球新生代以来最为壮观的地质事件之一,形成了全球海拔最高、规模最大、时代最新的陆陆碰撞造山带—青藏高原,为认识大陆岩石圈特性及行为,丰富和发展地球系统科学提供了绝佳研究窗口。近年来,随着高原构造变形、古高程定量研究的开展,清晰地揭示了青藏高原差异隆升过程,相对于在晚古新世-始新世已经隆升到现今高度的原高原(Proto-plateau,主要包括拉萨地体和羌塘地体),与之相邻的可可西里盆地与喜马拉雅山脉,直到中新世之后才逐步隆升(图1)。为了阐释青藏高原的差异隆升过程,前人从不同的视角提出了诸多端元模型,这既是高原隆升动力学机制内在复杂性的体现,也是由于观测条件、技术方法等限制,对青藏高原深部结构约束尚不完备导致的。

图1 (a) 青藏高原构造背景、后碰撞岩浆活动及地震台站分布图;(b) 青藏高原差异隆升过程示意图。

  毗邻于原高原北缘的可可西里盆地,在中新世发生快速隆升,并广泛发育了中新世-第四纪后碰撞岩浆活动,是认识青藏高原差异隆升机制的理想地区。但由于地处无人区腹地,野外条件恶劣,该区实地地震观测相对匮乏。自2008年以来,中国地质科学院贺日政研究员团队在藏北高原开展了多期流动地震台阵观测,积累了横跨可可西里盆地的多条关键剖面的数据资料(图1a)。在此基础上,中国地质大学(武汉)李玮特任教授与中国地质科学院贺日政研究员,德国地学研究中心(GFZ)袁晓晖研究员、Felix Schneider博士、Frederik Tilmann教授,南方科技大学郭震副教授、陈永顺教授等合作,通过整合流动地震台阵和国家固定台网记录的连续波形数据,利用背景噪声成像方法,重建了青藏高原地壳、上地幔三维S波速度结构(图2)。

图2 背景噪声成像重建的青藏高原三维S波速度结构,圆点标识了后碰撞岩浆岩出露位置。

 

图 3 根据不同壳幔组分特征的速度与熔体含量的对应关系(a)估算的青藏高原中地壳(深度30km,b)和上地幔顶部(深度100km,c和d)熔体含量。

  得益于藏北地区分辨率的显著提高,成像结果揭示了藏北可可西里盆地的中地壳广泛发育了大范围低速异常(<3.2 km/s),且与上地幔顶部低速异常结构(<4.2 km/s)耦合,这与藏南零星散布、连通性差的壳内低速特征形成鲜明对比(图2)。在合理评估壳幔组分、各向异性等因素对S波速度影响的基础上,本研究通过S波速度相对降幅定量分析了地壳和上地幔的熔体含量,发现藏北中地壳(深度30 km)和上地幔顶部(深度100 km)发生了大范围部分熔融,熔体含量均可达8%左右(图3)。结合这些部分熔融特征与新近后碰撞岩浆活动在空间分布上的高度相关性,从而提出岩石圈地幔拆沉及后续的地幔上涌诱发了大规模岩浆作用,岩浆底侵和内侵导致藏北可可西里地壳逐步增厚,促使原高原北向隆升扩展(图4)。

图4 岩石圈地幔拆沉及相关岩浆活动驱动藏北高原隆升的动力学模式图。

  该研究构建的岩石圈地幔拆沉主导的高原生长模型,整合统一了藏北高原深部结构、岩浆活动、隆升演化等多学科成果,表明拆沉过程伴生的岩浆作用是大陆碰撞造山带地壳增厚、生长的重要机制之一。

  以上成果发表于《国家科学论评》(National Science Review),中国地质科学院贺日政研究员与德国地学研究中心(GFZ)袁晓晖资深研究员为共同通讯作者,中国地质大学(武汉)李玮特任教授为第一作者。研究受到国家自然科学基金(42074112, 4171101169, 41574086, 41274095, 42374110)、中国地质科学院基本科研业务费项目(JKYZD202302, JKY202221)、中国地质调查项目(DD20230008, DD20221643)、德国科学基金(DFG)(392149212)等联合资助。

  论文信息:Wei Li, Rizheng He*, Xiaohui Yuan*, Felix Schneider, Frederik Tilmann, Zhen Guo, Yongshun John Chen, Correlated crustal and mantle melting documents proto-tibetan Plateau growth, National Science Review, 2024;, nwae257, https://doi.org/10.1093/nsr/nwae257

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