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【前沿报道】PNAS:藏南印度地幔岩石圈撕裂及其指示的岩石圈强耦合
2018-08-24 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

大约65Ma以来,印度板块与欧亚板块发生完全的陆陆碰撞,印度板块俯冲于青藏高原之下,并持续向北运动,在持续汇聚挤压作用下,形成了巨厚的地壳和平均海拔5000米的青藏高原。通过近年来大量的地质、地球化学和地球物理研究,国内外学者取得了一系列关于高原演化的重要认识,比如青藏高原的隆升是多期次完成的、高原中下地壳可能发育部分熔融层形成物质流动通道、高原下方岩石圈结构存在显著东西向差异等。  

青藏高原的深部岩石圈结构特征可以用来约束高原的演化过程和隆升机制,地震波因为穿透地幔深处,携带了深部结构信息,从而成为探测地壳和上地幔结构的最有效信号。通常有两种方法来获取必需的地震波信号:(1)最好的办法是建立覆盖整个青藏高原的观测台网,保证多种地震波信号覆盖整个青藏高原深部,从而获得可靠的高分辨率深部结构图像;(2)或者使用某些特殊的地震波信号,如Pn波(图1)、面波等,它们可以沿特定深度在地下传播,通过周边台站接收就可以对高原内部深部结构形成比较均匀的信号覆盖,但只能获得某些深度且分辨率比较受限的深部结构图像。  


1 Pn波为主要沿上地幔顶部传播的地震波,这与壳内传播的Pg波不同

20世纪90年代前,对青藏高原深部结构的了解主要来自第二种方法,以及为数很少的反射地震探测,近30年来虽然开展了大量流动地震观测和大地电磁观测,但由于青藏高原地域宽广,大部分地区尤其是自然条件极为恶劣的藏北,仍缺乏足够的观测数据。要对整个青藏高原的岩石圈结构进行整体约束,还主要依赖于上述第二种方法,即使用Pn波、面波等可以覆盖整个高原的特殊地震波信号。而应用Pn波开展青藏高原深部结构成像研究存在多个关键技术问题:(1)现有大量地震目录数据和流动观测数据的有效整合;(2Pn波传播过程中的各向异性影响评估;(3)地壳厚度横向变化对成像结果的影响等。  

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的李江涛和宋晓东于2018814在PNAS上发表了青藏高原岩石圈地幔结构的最新研究成果Li and Song, 2018他们收集多个地震目录并人工拾取大量Pn波信号,整合成了目前青藏高原深部结构成像最完整的Pn波走时数据库,在成像过程中同时考虑了Pn波各向异性对结果的影响,由此获得了青藏高原上地幔顶部的P波速度分布特征(图2),他们的结果较前人覆盖范围更广,并具有更高的分辨率。研究显示,青藏高原南部上地幔顶部存在三条显著低速异常带,结合早前瑞利面波层析成像所获得的S波速度结构,他们认为三处低速异常带指示印度岩石圈地幔撕裂为不同俯冲角度和向北延伸极限的四部分:西部和东部俯冲角度小且向北延伸更远,而中部俯冲角度比较陡(图3)。他们还试图用印度岩石圈撕裂模型来解释中新世以来的裂谷发育过程,以及现今青藏高原的中深源地震分布,并认为地壳和地幔变形两者是强烈耦合的。  

 
2  青藏高原的上地幔顶部P波速度图像,图中T1T2T3标明文中所发现的三处Pn波低速区,低速区的速度较周围低约0.3km/s

 
3  藏南印度岩石圈地幔撕裂及地壳(红色)和地幔(蓝色)耦合卡通图。白色虚线为俯冲印度地壳和上覆喜马拉雅造山增生楔及青藏高原地壳之间的边界。MBT: 主边界逆冲断裂;YZS:雅鲁藏布江缝合带;CR: 错那裂谷;YGR: 亚东-谷露裂谷;PXR: 朋曲-申扎裂谷;TYR: 当惹雍错裂谷;LGR: 隆格尔裂谷;YRR: 亚热裂谷

印度岩石圈板片撕裂模型最早由美国加州大学洛杉矶分校的尹安提出,用于解释青藏高原一系列南北向裂谷的形成机制(Yin,2000)。此后,依据一系列地质和地球物理观测,不同学者认为青藏高原碰撞造山带可以分为三段(侯增谦等,2006)或者两段(Xiao et al.,2007),分别提出了印度岩石圈撕裂和分段俯冲模型。我所岩石圈演化国家重点实验室田小波陈赟梁晓峰等近些年针对藏南地区岩石圈结构探测开展了一系列地震学研究,他们的研究结果表明藏南印度岩石圈正在撕裂和差异俯冲并对高原地表变形存在控制作用(例如:Liang et al.,2016)。      

主要参考文献     

侯增谦,赵志丹,高永丰,杨志明,江万,2006. 印度大陆板片前缘撕裂与分段俯冲:来自冈底斯新生代火山-岩浆作用证据,岩石学报224),761-774. 原文链接 

Li J, Song X. Tearing of Indian mantle lithosphere from high-resolution seismic images and its implications for lithosphere coupling in southern Tibet[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 20181158296-8300. 原文链接  

Liang X, Chen Y, Tian X, et al. 3D imaging of subducting and fragmenting Indian continental lithosphere beneath southern and central Tibet using body-wave finite-frequency tomography[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 443: 162-175.(原文链接)  

Xiao L, Wang C, Pirajno F. Is the underthrust Indian lithosphere split beneath the Tibetan Plateau?[J]. International Geology Review, 2007, 49(1): 90-98. 原文链接  

Yin A. Mode of Cenozoic eastwest extension in Tibet suggesting a common origin of rifts in Asia during the IndoAsian collision[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2000, 105(B9): 21745-21759.原文链接  

       

    (撰稿:梁晓峰

 
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