青藏高原为何高低不同?中国科学家揭示差异性隆升过程和机制

2022年08月02日19:08

来源:中国新闻网

  中新网西藏拉孜8月2日电 (记者 孙自法)有“世界屋脊”和“地球第三极”之称的青藏高原为什么高低不同?它是如何形成的?中国科学院青藏高原研究所(中科院青藏高原所)丁林院士领衔的大陆碰撞与高原隆升团队受国际专业学术期刊《自然综述:地球与环境》主编邀请,近日以“青藏高原隆升时间和机制”为题发表综述论文,系统揭示青藏高原的差异性隆升过程和深部动力学机制。

  研究团队指出,大陆碰撞-俯冲等深部圈层作用驱动的青藏高原隆升是新生代全球最重要的地质事件之一。高原隆升显著影响了地表圈层—大气圈、水圈/冰冻圈、生物圈和人类圈的耦合作用过程,深刻影响了亚洲气候动力学、生物多样性、碳循环、现代水资源分布和大江大河的演化,是21世纪地球系统科学研究的前沿阵地。

  然而,在大陆碰撞过程中,青藏高原大陆岩石圈变形和地表高程时空变化的机制仍不清楚。近些年,随着青藏高原定量古高度数据的加速产生,学界逐渐认识到高原具有差异性隆升的特征,部分地区的隆升时间比以前的推测或早或晚,已有的动力学模式均不能完整体现高原隆升过程。

  白垩纪构造事件和青藏高原山脉雏形

  丁林院士强调,青藏高原的完整演化模式必须考虑亚洲在印度-欧亚大陆碰撞之前的构造事件中继承下来的古地貌和岩石圈的不均一性,这对认识高原差异性隆升至关重要。

  地体是以断层为界的地壳碎片或地壳碎片的复合体,具有独特的地质历史。通过详细分析青藏高原白垩纪海陆转换、构造变形、岩浆和低温热年代学证据,研究团队提出,拉萨-羌塘地体的碰撞以及随后的拉萨岩石圈向北俯冲导致了分水岭山脉的初步生长;南部新特提斯洋的持续俯冲,在约9500万年前将冈底斯地区隆升至海平面之上,形成与现今的安第斯山相似的发展过程,称之为安第斯型冈底斯山,并在藏南地区形成显著的降水效应。此时的青藏高原仅有两条狭窄的山脉,即分水岭山脉和冈底斯山脉,但地表隆起的幅度仍有待量化。

  印度-欧亚大陆初始碰撞时间和模式

  研究团队说,印度-欧亚板块碰撞时间和方式对于限定印度北缘范围和新生代陆内缩短变形量至关重要,而它们又是约束高原地表隆升幅度和深部动力学机制的关键。

  目前,关于新特提斯洋闭合历史的假说包括大印度洋盆模型、洋内俯冲模型和单阶段俯冲碰撞模型,这些模型都是基于丁林院士团队等发现的关键证据——即印度-欧亚大陆碰撞形成的前陆盆地,该盆地在6500万年至5900万年前开始接受来自冈底斯岛弧区的物源,表明此时印度-欧亚大陆已经开始碰撞,大大早于此前国际公认的印度与欧亚大陆在5000万年前才初始碰撞的时间。

  同时,丁林院士团队近20年在西藏、巴基斯坦和印度工作还获得关键认识:一是目前发育在藏南的冈底斯岩浆弧、弧前盆地、蛇绿岩和海沟形成于拉萨地体南缘的洋-陆俯冲系统,而非形成于远离大陆的洋内俯冲系统;二是巴基斯坦北部的证据表明约5200万年前亚洲物质可以到达印度次大陆,不支持印度-欧亚大陆碰撞前存在洋盆。

  因此,最新发表的论文指出,单阶段俯冲碰撞模型是解释印度-欧亚大陆碰撞最简单,也是得到地质证据支持的模型。但遗憾的是,古地磁数据显示,如果印度-亚洲大陆在约6000万年前发生碰撞,印度和亚洲大陆岩石圈必须在完全的大陆环境中吸收约4000公里地壳缩短。然而目前地质证据表明亚洲(小于1000公里)和喜马拉雅(小于1000公里)地壳缩短量不到2000公里。

  为协调地壳缩短和古地磁汇聚量之间的不匹配,国际学者提出大印度洋盆模型和洋内俯冲模型,但目前都缺乏地质证据的支持。另外,如果印度大陆在向北漂移过程中发生过约90度的逆时针旋转,也可简单吸收2000公里纬向缩短量。

  青藏高原不同造山带具有差异隆升历史

  丁林院士团队认为,解决高原隆升历史的需求极大促进了古高度计的发展,广泛使用的古高度定量重建技术包括氢/氧同位素、动植物化石、团簇同位素等。这些古高度定量重建技术为大陆变形和高原生长提供了关键信息,可以更加清晰地认识高原差异隆升过程和动力学机制。

  结合已有定量古高度结果和深部动力学证据,研究团队进一步恢复了青藏高原自约6000万年前到现今不同地体地表隆升历史和岩石圈演化过程,提出青藏高原不同造山带具有差异的隆升历史:

  5500万-4500万年前,由于新特提斯洋俯冲板片的断离,冈底斯造山带隆升到4500米高海拔。

  4500万-4000万年前,新特提斯板块断离之后,更具浮力的印度岩石圈向北水平楔入,激活羌塘地体南北部缝合带发生陆内俯冲,使得分水岭山脉隆升到5000米的高海拔;此时位于冈底斯造山带和分水岭造山带之间的中央谷地、高原最南部的喜马拉雅造山带以及高原北部还处于小于2000米的低海拔,高原整体形成“两山夹一盆”的地貌特征。

  4000万-3000万年前,拉萨岩石圈在中央谷地下方拆沉,上地壳缩短、岩浆底垫和软流圈上涌等多种深部地球动力学过程耦合作用,使得中央谷地抬升4500米的目前高度,青藏高原由造山带正式转变为统一高原。

  2500万-1500万年前,由于印度大陆的持续俯冲,喜马拉雅山脉下方俯冲的印度大陆岩石圈及藏北可可西里-昆仑山下方俯冲的欧亚大陆岩石圈先后发生拆沉,喜马拉雅山与昆仑山先后隆升到现代高度,现代意义上的高原形成。

  丁林院士团队指出,不过,青藏高原北部地区的隆升历史尚存在较大的不确定性,需要更多定量古高度数据来验证。

  青藏高原隆升未来需重点发展四大研究方向

  丁林院士团队表示,地球物理探测揭示出现今印度和欧亚大陆岩石圈已发生从水平楔入到陡峭俯冲、板块的撕裂、断离以及拆沉等各种地球动力学行为,这表明在整个新生代印度-亚洲大陆碰撞过程中,不断发生类似过程,最终导致青藏高原构造变形、岩浆作用和地表隆升的时空差异性。

  针对青藏高原隆升时间和机制问题后续研究,丁林院士团队认为,今后需要重点发展四个方面研究方向:

  一是解决印度-欧亚大陆汇聚量和地壳缩短之间的不一致性;二是需要大量高分辨率的古高度数据精确限定高原隆升历史;三是结合数值模拟和地质数据,准确重建高原地球系统演化历史;四是结合地球物理成像技术和地球动力学模拟,阐明大陆岩石圈的循环过程和分布范围,解析大陆碰撞如何影响邻近板块边界的构造以及全球规模的地幔对流。(完)

编辑:张龙(大)

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