克拉通型盆地在远程应力传递和陆内造山中发挥着重要作用。塔里木盆地作为一个典型的克拉通型盆地，在新生代印度-亚洲碰撞的背景下，它不仅导致了天山和西昆仑的隆升，还控制了青藏高原的生长样式，深刻影响了亚洲板块内部的构造格局。前人的相关研究大多将塔里木视为一个刚性的整体，强调其在应变局部化、地形隆升和青藏高原生长等方面的作用。然而，塔里木克拉通并非是铁板一块。古地磁数据显示完整的塔里木克拉通是由南北塔里木在~820 Ma沿塔中缝合带拼合最终才形成，之后塔里木克拉通在早二叠世（300-270 Ma）遭受了地幔热柱的强烈改造，形成了塔里木大火成岩省（TLIP）。塔里木地幔柱柱头的“遗迹”后经高分辨率航磁探测所确定，有意思的是，地幔柱柱头的空间范围与塔里木盆地内新生代沉积最薄的区域基本吻合（图1），但造成这种对应关系的原因尚不明确。
图1 （a）中国西北部的地质概况。红色区域表示二叠纪地幔柱柱头的空间范围，蓝灰色箭头表示相对于欧亚板块的GPS速度场；（b）塔里木盆地的新生代沉积厚度，灰蓝色线条表示西塔里木内划分的构造单元；（c）图1a中穿过地幔柱柱头的地震反射剖面及剖面解释。N2a：阿图什组；N1p：帕卡布拉克组；N1a：安居安组；N1k：克孜洛依组。图c上面的半透明红色条近似代表地震反射剖面中的二叠纪地幔柱头范围
最近的一项研究表明（Liu et al., 2021, Nature）：地幔柱可以通过在岩石圈减薄区填充熔体残余物的方式愈合和恢复大陆岩石圈的厚度，继而完成再克拉通化过程。新愈合的克拉通岩石圈根由于经历了高程度的部分熔融以及熔流体萃取过程，因而它变得更加干燥难熔。相较于未熔的地幔，熔体残余物具有更大的流变强度和更高的亏损程度（Fe相对于Mg），这导致愈合后的岩石圈地幔强度增加而密度降低。因此，地幔柱活动可以造成克拉通岩石圈地幔成分和力学强度的横向不均一。由此引申出一个重要的科学问题：塔里木盆地新生代沉积厚度的横向变化是否受控于地幔柱改造的岩石圈地幔属性？
聚焦于上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室博士研究生向宵与导师陈林研究员、李忠研究员、颜智勇博士后，联合浙江大学陈汉林教授和林秀斌教授、中国自然资源航空物探遥感中心徐曦高级工程师，在深入分析塔里木盆地及其周缘相关观测资料的基础上，利用二维热-力学数值模拟方法，研究了挤压背景下克拉通岩石圈地幔强度和亏损密度的横向变化如何影响克拉通盆地的基底形态。模拟结果显示（图2）：
（1）当挤压一个岩石圈地幔均一的克拉通时（岩石圈地幔无强度和亏损密度的横向变化, M1），强硬的克拉通岩石圈有效抵抗了挤压缩短，克拉通两侧的造山带地壳发生明显的褶皱和增厚，并逆冲于克拉通地壳之上；同时在造山带上方形成有高耸崎岖的地形，而在克拉通内发育低海拔的平缓地形，形成一个“对称”的盆地基底形态（图2a）。
（2）当挤压一个岩石圈地幔横向非均一的克拉通时（北半部地幔强度和亏损密度均比南半部更大，M5），在克拉通与造山带的南侧结合部岩石圈变形与均一模型基本一致，但在北侧结合部克拉通岩石圈几乎未发生变形；在这种情况下，克拉通南北两侧不仅表现地壳变形的差异，而且克拉通内部的盆地基底还呈现出“南倾”的几何形态（图2b）。
图2 陆内挤压背景下克拉通岩石圈地幔强度和亏损密度的横向变化对克拉通盆地基底形态的影响。（a）和（b）分别为克拉通岩石圈地幔均一和非均一的模型结果；（i）、（ii）和（iii）分别表示成分场、粘度场和密度场
系统性的模型测试表明（图3），当克拉通岩石圈地幔北半部逐渐增强时，克拉通盆地基底的几何形态由对称过渡为“北倾”，而当克拉通岩石圈地幔北半部的密度亏损程度超过20 kg/m3时，克拉通盆地基底的“南倾”几何形态占主导。克拉通盆地基底隆起要么发生在增厚地壳的上方，要么发生在岩石圈地幔密度高度亏损处的上方，即克拉通盆地基底的几何形态主要受控于下覆岩石圈地幔的性质。
图3 克拉通岩石圈地幔强度和亏损密度变化对克拉通盆地基底形态影响的模式图。正方形代表对称的克拉通盆地基底，三角形和圆形分别代表“北倾”和“南倾”的克拉通盆底基底，且南克拉通在造山带下有更陡的俯冲
对塔里木盆地新生代沉积厚度的进一步分析表明：塔里木柯坪-巴楚地区新生代的沉积厚度小于2 km，而塔里木西南部新生代的沉积厚度则可达10 km。前人研究表明塔里木盆地南侧的西昆仑和北侧的天山近乎同期隆升于中新世，且二者在造山带高度和宽度上也基本一致。因此，从造山带载荷的角度看天山和西昆仑基本等价，但二者对塔里木盆地产生的基底沉降却不同，可见仅用挠曲沉降无法回答塔里木盆地新生代沉积厚度的横向变化。根据以上的模拟结果推测：塔里木盆地南北部新生代沉积厚度的巨大差异可能受控于地幔柱改造后的岩石圈地幔属性。这一新模型不仅能很好地解释塔里木地幔柱柱头位置和柯坪-巴楚地区薄沉积的空间对应关系（图1），而且还可以解释地震数据揭示的塔里木地壳在西昆仑和天山下方的俯冲样式差异（图4）。进一步，认为早二叠世的地幔柱改造了塔里木克拉通西北部的岩石圈地幔，经过>250 Ma的冷却，地幔柱产生的熔体残余物愈合并强化了塔里木西北部下方的岩石圈，导致了塔里木岩石圈地幔呈现出显著的横向非均一性。在新生代印度-亚洲碰撞的背景下，塔里木岩石圈地幔的非均一属性得以充分显现，造成了塔里木盆地内部新生代沉积厚度的巨大差异（图4）。类似的例子也可能发生在四川盆地，前人研究表明四川盆地的西南缘曾遭受二叠纪峨眉山地幔柱的强烈改造，同时该区域缺失新生代沉积，据此推测峨眉山地幔柱改造后的岩石圈可能影响了四川盆地的新生代沉积厚度。
图4 塔里木克拉通的演化示意图。（a）二叠纪之前的塔里木地块；（b）早二叠世地幔柱改造塔里木岩石圈，导致大量岩浆岩出露于地表和岩石圈底部熔融；（c）地幔柱通过亏损的熔体残余物充填和晚二叠世以来的冷却再克拉通化塔里木岩石圈；（d）现今塔里木地区的岩石圈结构
该研究揭示了地幔柱改造后的深部岩石圈地幔属性对浅表沉积盆地的演化具有重要的影响，这为理解全球其它地区深部过程与浅表响应之间的关系提供了新视角。
研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters（向宵，陈汉林*，陈林*，徐曦，林秀斌，李忠，颜智勇. Plume-modified lithosphere mantle controlled the Cenozoic sediment thickness in the Tarim Basin [J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51: e2023GL106203. DOI: 10.1029/2023GL106203.）。研究得到国家自然科学基金项目（U22B6002）、国家重点研发计划（2022YFF0800800）和国家第二次青藏高原科学考察专题项目（2019QZKK00708）的资助。
