自新生代早期以来,印度板块与欧亚大陆持续汇聚,形成了雄伟的青藏高原和喜马拉雅山脉。
在印度-欧亚大陆持续汇聚的过程中,许多岩石圈物质被挤出,这些物质中,有许多都被沿哀牢山-红河断裂的大规模左行走滑运动所吸收。但是,哀牢山-红河断裂带左行走滑是如何启动的?对于这一问题,仍然缺少共识。
在最近发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的文章中,研究者结合多种观测与分析方法,认为在印度-欧亚大陆硬碰撞开始(~45百万年前)之后,青藏高原东南缘发生了一次大规模岩石圈拆沉事件(~37 百万年前),这一事件为哀牢山-红河断裂的启动提供了有利条件。
观测与分析:37 百万年前的岩石圈拆沉
“背景噪声干涉技术”广泛应用于提取面波信号,对岩石圈浅部速度结构进行成像,但是用该技术提取来自地球深部界面的反射体波信号比较困难。
本研究结合密集台阵观测资料(青藏高原东南部350个流动台站和80个固定台站超过3年的连续波形资料)和共反射点相位加权叠加技术,共计算得到近10万条垂直分量背景噪声互相关函数,从中观测到了清晰的地幔间断面反射体波信号。
<span style="color:#000000;font-family:;" "="">台站分布和主要构造边界分布。红色和蓝色三角形分别代表固定台站和流动台站位置,红色五角星代表始新世-渐新世钾质岩浆岩分布,黑色细线为主要构造边界。ASRRF为哀牢山-红河断裂。左上角插图展示了大区域的GPS速度场分布和地形特征。
下图展示了共反射点叠加窗的位置以及每个叠加窗内互相关的数量和沿两条剖面的反射波形特征。沿两条反射波形剖面,不仅可以观测到清晰的410-km和660-km间断面反射波形(P410P和P660P),还可以观测到两个分别来自上地幔顶部和地幔转换带中部的散射信号(S1和S2)。
(A-B)分别为沿图(C)中剖面1和剖面2的两条深度域背景噪声互相关函数共反射点叠加波形,背景色为纵波速度结构扰动。S1和S2分别为上地幔顶部和地幔转换带中部的散射信号。(C)共中心点叠加数据密度分布以及两条剖面位置。
而且,这些观测结果与该区域的速度模型有非常好的对应关系,它们共同指示:在地幔转换带底部存在向西倾斜的高速异常,穿过660-km间断面,导致了显著的P660P波形变化和660-km间断面下沉。
该高速异常向西倾斜,与向东俯冲高速的印度板块是分开的。而且根据板块重构的结果,作者认为该高速异常不太可能是印度-欧亚大陆硬碰撞开始前断离的印度洋板片。高速异常体对应着浅部减薄(低速)的地幔岩石圈和广泛的钾质岩浆分布,结合已有的地球物理、地球化学和地质学观测结果,作者认为该高速异常可能对应于~37 百万年前拆沉的大陆岩石圈。
大陆岩石圈拆沉的诱因与结果
该区域广泛分布有钾质-超钾质岩浆,作者认为这是大陆岩石圈拆沉的结果,根据这些钾质岩浆的年龄,作者推断岩石圈拆沉事件发生于30-40百万年前之间,对应印度板块向北汇聚方向的一次显著改变(~37百万年前)。
这次岩石圈拆沉事件发生在印度-欧亚大陆硬碰撞开始(~45百万年前)的几个百万年以后,作者认为可能是陆陆硬碰撞造成该区域岩石圈受到强烈的挤压而增厚,最终导致了大范围的岩石圈拆沉。根据钾质岩浆的年龄和现在观测到的拆沉岩石圈的位置,作者估算得到,拆沉岩石圈的下沉速率为~2±0.5 厘米/年。
印度-欧亚大陆汇聚过程及主要构造事件。红色和蓝色菱形分别代表印度板块的移动方向和移动速率。 ASRRF:哀牢山-红河断裂。
大范围的岩石圈拆沉伴随着热的软流圈物质上涌,对上覆残留大陆岩石圈加热,该过程显著降低了该区域的岩石圈强度,减薄的大陆岩石圈对陆陆碰撞的阻力显著降低,导致印度板块向北的汇聚方向发生了逆时针旋转,并且岩石圈强度弱化为哀牢山-红河断裂启动提供了有利条件。
由于大规模的岩石圈拆沉,青藏高原东南缘形成了一个岩石圈强度显著弱化的窗口,现今的GPS速度场仍然显示,青藏高原东南缘是青藏高原内部物质挤出的最重要通道。
示意图:大陆岩石圈拆沉以及岩石圈弱化为印支块体向东南挤出创造了有利条件。黑色尖头指示物质挤出的方向,红色箭头指示热的软流圈物质上涌。红色物质代表岩石圈的部分熔融。
上述成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR),中国科学技术大学地球和空间科学学院、地震与地球内部物理实验室冯吉坤特任副研究员为第一作者,姚华建教授和冯吉坤特任副研究员为共同通讯作者,中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员和中国地震局地球物理所王伟涛研究员为合作作者。论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab174。