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NC:深源气体释放视角下的青藏高原东南部生长动力学过程
2021-07-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  新生代以来,印度与亚洲大陆之间的汇聚、碰撞和俯冲过程造就了现今高耸辽阔的青藏高原,由此导致的海陆格局(Ramstein et al., 1997)、大气环流(An et al., 2001)、地貌水系(Hilton and West, 2020)、深源气体释放(Guo et al., 2021)等地球深部-表层响应变化和多圈层相互作用,对区域和全球气候环境变化产生了重要影响。青藏高原的生长过程包括地表隆升和侧向扩展,前人对此提出了地壳缩短-走滑逃逸、下地壳通道流、岩石圈拆沉以及地幔整体对流等多个高原生长模型,但这些模型在地表隆升和侧向扩展的驱动机制方面存在显著区别,其中争议的一个焦点问题是高原生长动力学过程发生的深度(或尺度)。上述争议问题在青藏高原东南部的生长机制研究中表现得尤为突出,这一地区自印度-亚洲大陆碰撞以来经历了多阶段生长过程,目前主要有两种观点。一种观点认为,青藏高原通过地壳缩短实现地表隆升,而后沿大规模走滑断裂体系逐步向东南方向扩展,其中走滑逃逸过程可能发生在岩石圈地幔尺度上(Tapponnier et al., 2001);另一种观点则认为,青藏高原地表基本不变形,而是通过下地壳流动实现高原向东南方向的边界扩展,强调地壳尺度上的高原生长动力学过程(Royden et al., 1997)。由此可见,厘清高原生长动力学过程发生的深度是区分上述模型的关键。综合运用地质、地球物理以及数值模拟等多学科研究方法,能够为理解高原生长动力学过程提供重要的信息,但目前仍缺乏能够有效指示高原生长动力学过程发生深度的地球化学指标。 

  针对上述科学问题,来自天津大学地球系统科学学院、中国科学院地质与地球物理研究所、美国伍兹霍尔海洋研究所以及日本东京大学大气海洋研究所等国内外科研机构的研究团队,聚焦青藏高原东南部的主要活动断裂带和第四纪火山区(图1),利用温泉气体的化学成分、He-C-N同位素组成以及定量计算模型,有效区分并厘清了温泉气体中幔源和壳源气体的贡献比例及其空间变化特征,建立了印度-亚洲大陆汇聚背景下深源气体释放与区域应力分布之间的耦合关系。在此基础上,结合区域构造与岩浆活动历史,探讨了中-晚中新世(1310 Ma)以来青藏高原东南部侧向扩展和局部地表隆升的可能机制。该研究近期在线发表于Nature CommunicationsZhang et al., 2021),取得以下主要认识。 

1 青藏高原东南部构造格局和深源He释放特征示意图(Zhang et al., 2021)。EHS,喜马拉雅东构造结;IACB,印度-亚洲汇聚边界;TC,腾冲地块;BS,保山地块;SM,思茅地块;CD,川滇地块;SETP,青藏高原东南部。黄色实心圆圈表示气体样品具有明确的幔源He贡献(例如,>2%亏损地幔He),黑色实心圆圈表示壳源He占绝对比例(>99%)的气体样品。灰色阴影区域表示样品空间分布及分组,依次如下:Three Rivers faults (TRF),三江断裂带;Litang fault (LTF),理塘断裂;Xianshuihe fault (XSHF),鲜水河断裂;Anninghe-Xiaojiang fault (AXF),安宁河-小江断裂;Bookshelf faults (BF) & Red River fault (RRF),书列式断裂带和红河断裂;Tengchong volcanoes (TCV),腾冲火山;Simao volcanoes (SMV),思茅火山;Sichuan basin (SB),四川盆地

  1.青藏高原东南部深源气体释放的空间变化特征 

  基于温泉气体的He-CO2-N2元素和同位素组成特征,研究人员在腾冲地块和思茅地块的第四纪火山区以及青藏高原东南部的主要活动断裂带(鲜水河断裂、理塘断裂、三江断裂带和红河断裂;图1)的温泉气体中识别出显著的幔源气体贡献。例如,鲜水河断裂康定-磨西段的幔源He贡献比例达到10%47%,理塘断裂、红河断裂和三江断裂带的温泉气体中也普遍存在1%13%的幔源He贡献(图2)。相比之下,安宁河-小江断裂的温泉气体主要为地壳来源(壳源He比例超过99%),这与四川盆地的温泉和天然气样品一致。上述主要活动断裂带的幔源气体释放特征表明,青藏高原东南部存在一个岩石圈尺度的走滑断裂体系。其中,He同位素证据明确地指示部分活动断裂带的切割深度达到了岩石圈地幔,证实青藏高原东南部的侧向扩展过程发生在地幔尺度上。此外,在康定-磨西地区观察到的高3He/4He比值、高应变速率和贡嘎山快速剥露隆升表明,受鲜水河断裂带左旋走滑挤压作用控制的局部地表隆升也与地幔尺度上的动力学过程有关。 

2 青藏高原东南部温泉气体的3He/4He比值和δ13C值分布特征(Zhang et al., 2021)。A)和(B)展示了气体log(3He/4He)值与采样点至IACB距离的投图结果;(C)和(D)展示了气体δ13C-CO2值与采样点至IACB距离的投图结果。样品分组及缩写参考图1    

  2.印度-亚洲大陆汇聚背景下深源气体释放与区域应力分布的耦合关系 

  结合温泉气体3He/4He比值分布与区域应变速率场特征,研究人员建立了青藏高原东南部深源气体释放与区域应力分布的耦合关系。结果表明,沿印度大陆向亚洲大陆汇聚的方向(即,NE方向),随着采样点与印度-亚洲汇聚边界(IACB;图1)距离的增加,三江断裂带、理塘断裂和鲜水河断裂温泉采样点对应的气体3He/4He比值和应变速率均逐渐增加(图3)。也就是说,温泉气体3He/4He比值与采样点对应的应变速率之间具有显著的正相关关系。这一观测结果与北美西部的盆岭省地区非常相似(Kennedy and van Soest, 1997),表明青藏高原东南部的边界断裂和内部断裂所承载的构造应力存在明显差异。位于高原边界的鲜水河断裂具有较高且相对集中的剪切应力,有利于断裂深切岩石圈、断裂带渗透性增强以及幔源He的快速释放(即幔源He的地壳混染程度低),因此在地表采集的温泉气体中能观察到较高的3He/4He比值。相对来说,位于高原内部的三江断裂带和理塘断裂所承载的构造应力较低,温泉气体的3He/4He比值也相应较低。 

3 温泉气体3He/4He比值和区域应变速率的空间关系Zhang et al., 2021)。A)青藏高原东南部应变速率分布;(B)温泉气体3He/4He与总体应变速率之间的关系;(C)温泉采样点至IACB距离与总体应变速率之间的关系。样品分组及缩写参考图1    

  3.-晚中新世以来青藏高原东南部的生长动力学过程

  由于高原生长过程伴随着大规模构造运动和岩浆活动,并且深源气体释放对深部动力学过程具有较高的响应灵敏性,现今观测到的气体地球化学异常对于理解高原生长动力学过程具有重要的指示意义。在厘清现今深源气体释放与高原生长动力学过程的基础上,研究人员进一步结合区域构造与岩浆活动历史,探讨了中-晚中新世以来青藏高原东南部生长的可能机制和动力学模型。在该模型中,活动断裂带的启动时间(约为1310 Ma)代表目前正在进行中的高原生长阶段的起始时间;在动力学机制上,中-晚中新世印度-亚洲大陆汇聚方向的转变、印度俯冲板片后撤以及由此导致的区域应力调整,可能触发并主导了1310 Ma以来青藏高原东南部的侧向扩展和局部隆升,相关的地幔尺度动力学过程对高原生长起到了重要作用。 

  Zhang et al.2021)总体认为,中-晚中新世以来青藏高原东南部的侧向扩展和局部地表隆升与一系列地幔动力学过程密切相关。一方面,1310 Ma以来印度俯冲板片后撤为青藏高原东南部区域应力调整提供了动力触发机制,导致云南和缅甸地区发生近EW向岩石圈伸展,为腾冲地块、思茅地块以及缅甸火山弧(Zhang et al., 2020)的晚新生代火山活动创造了有利条件,这也与该地区晚新生代时期经历的主要活动断裂运动学性质反转相一致(Wang et al., 2016)。另一方面,上述区域应力调整导致青藏高原东南部走滑断裂体系在中-晚中新世启动或再活化,断裂体系总体上围绕喜马拉雅东构造结顺时针展布,并在空间上表现出构造应力分布的不均一性,促进了主要走滑断裂向岩石圈地幔深切和断裂带渗透性增加。现今观测到的温泉气体3He/4He比值分布与区域应力分布的耦合关系,可能反映了1310 Ma以来印度-亚洲大陆汇聚背景下青藏高原东南部生长动力学过程的总体特征。 

  该研究首次建立了深源气体释放与高原生长动力学过程之间的内在联系,证实了深源气体同位素组成(特别是3He/4He比值)是约束高原生长动力学过程及其发生深度的有效地球化学定量指标,为构建高原生长动力学模型提供了新的研究视角和参考资料。 

  主要参考文献 

  An Z, Kutzbach J E, Prell W L, et al. Evolution of Asian monsoons and phased uplift of the Himalaya–Tibetan plateau since Late Miocene times[J]. Nature, 2001, 411: 6266. 

  Guo Z, Wilson M, Dingwell D B, et al. India-Asia collision as a driver of atmospheric CO2 in the Cenozoic[J]. Nature Communications, 2021, 12: 3891. 

  Hilton R G, West A J. Mountains, erosion and the carbon cycle[J]. Nature Reviews Earth & Environment, 2020, 1: 284299. 

  Kennedy B M, van Soest M C. Flow of mantle fluids through the ductile lower crust: Helium isotope trends[J]. Science, 2007, 318: 14331436. 

  Ramstein G, Fluteau F, Besse J, et al. Effect of orogeny, plate motion and land–sea distribution on Eurasian climate change over the past 30 million years[J]. Nature,1997, 386: 788–795. 

  Royden L H, Burchfiel B C, King R W, et al. Surface deformation and lower crustal flow in eastern Tibet[J]. Science, 1997, 276: 788790. 

  Tapponnier P, Xu Z, Roger F, et al. Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau[J]. Science, 2001, 294: 16711677. 

  Wang Y, Zhang B, Schoenbohm L M, et al. Late Cenozoic tectonic evolution of the Ailao ShanRed River fault (SE Tibet): Implications for kinematic change during plateau growth[J]. Tectonics, 2016, 35: 19691988. 

  Zhang L Y, Fan W M, Ding L, et al. Quaternary Volcanism in Myanmar: A Record of Indian Slab Tearing in a Transition Zone From Oceanic to Continental Subduction[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2020, 21: e2020GC009091. 

  Zhang M, Guo Z, Xu S, et al. Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau[J]. Nature Communications, 2021, 12: 4157. 原文链接  

  (撰稿:郭正府/新生代室)

 
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