深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚并生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞以及碰撞如何使大陆变形的过程,是对全球关切的科学奥秘的探索。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。二十多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho面信息的技术瓶颈,揭露了陆-陆碰撞过程。本文在探测研究成果的基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂(而不是龙门山断裂)是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho面厚度薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,不仅沿雅鲁藏布江缝合带走向印度地壳俯冲行为存在东西变化,而且印度地壳向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,研究显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程中发生物质的回返与构造叠置,这导致印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射以及近于平的Moho面都反映出亚洲板块南缘处于伸展构造环境。     

深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚和生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞,碰撞如何使大陆变形的过程,是全球关切的科学奥秘。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。20多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho清晰结构的技术瓶颈,揭露了陆陆碰撞过程。本文在探测研究成果基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂而不是龙门山断裂是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho 薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,印度地壳不仅沿雅鲁藏布江缝合带存在由西向东的俯冲角度变化,而且其向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程发生物质的回返与构造叠置,使印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射,以及近于平的Moho都反映出亚洲板块南缘的伸展构造环境。     

青藏高原区域重磁异常的东西向分区及其构造地质特征

自从大陆整合以来作为一个整体的青藏高原继续受着印度板块向北俯冲的影响,也必定不断地改造着原各地体的结构构造,形成了高原整体意义上东西向的差异。这种差异与原本各地体的组成、结构和东西向延伸不一致。这不仅表现在南北向断裂构造跨各单个地体范围的出现,而且,逐步形成了东西的分区。这种分区突出地表现在区域重力与磁场的特征上,这不仅是局部的岩石磁性与密度变化的结果,而且是由于印度板块向北俯冲过程中,在其前缘的不同部位上经受的压力不同,以及地块的隆升与扩张作用的差异造成了高原东西各区段的地壳组分与厚度的变化。青藏高原的南北向断裂构造并非地壳上层的局部断裂,它具有深层的原因。由于印度板块向北推进的过程中不是均匀地齐头并进,而是在帕米尔高原以东的青藏高原范围内存在着推进速度和俯冲深度的差异,随着高原隆升的加剧高原本身出现断裂,自中新生代以来就存在着一定差异,所以南北向的断裂构造比目前地表见到的多些,而且具有较大的深度,Moho面的深度和地壳厚度都受南北向断裂的控制,并形成了区域重磁场的变化。同时,高原的东西向拉张作用也使南北断裂带发育加剧。     

青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程——亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启示

笔者等完成的亚东—格尔木和格尔木—额济纳旗地学大断面揭示出青藏高原岩石圈的基本结构、组成、演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘向喜马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据,它们构成了使高原隆升的主要驱动力。多学科研究表明,青藏高原是一个由8个地体拼合的大陆。高原内部地壳20～30km深度附近普遍发育低速高导层,它是构造应力去偶层,其上地壳脆性变形,逆冲叠覆,缩短增厚;其下地壳结构横向变化大,韧性变形。藏南下地壳(50～70km)速度发生逆转;而藏北下地壳速度增高并呈梯度变化,具有双莫霍面特征。高原莫霍面起伏变化大,南北边缘山脉山根特征明显,在高原内部缝合带两侧莫霍面多有断错。虽然高原地壳巨厚,但是岩石圈地幔并没有增厚。高原隆升经历了俯冲碰撞(K_2—E_2)、会聚挤压(E_3—N_1)、及均衡凋整(N_2—Q)3个阶段。青藏高原岩石圈现今处于双向挤压的动力学环境,莫霍面的不稳定变化,岩石圈地幔下沉等因素引起的壳幔之间和岩石圈与软流圈之间的相互作用,地壳的走滑与拉伸作用,是维持高原现今高度和范围的主要动力学因素。     

青藏高原造山带的垮塌与高原隆升

印度与亚洲的碰撞及前期的地体拼合产生了世界上规模最大的青藏高原碰撞造山带,并进而导致了高原的形成。但关于该造山带的形成演化过程与高原隆升的关系,一直未能取得明确的共识。本文通过对近几年来的资料总结发现,印度与亚洲的碰撞大约发型在55 Ma左右。由于新特提斯大洋板块的断离作用,形成冈底斯地区大规模的古新世—始新世花岗岩和火山岩,并发生青藏高原第一次较大规模的隆升。随着印度板块的持续向北挤压和朝亚洲大陆下的不断俯冲,该造山带岩石圈不断增厚,并在≈26 Ma左右发生岩石圈拆沉和减薄,形成全区的新生代钾质与超钾质岩浆活动,并发生全区范围内的大规模地壳隆升与剥蚀。中新世及以后,除局部地区外,青藏高原总体隆升幅度不大。因此,青藏高原的隆升与造山带的垮塌有关,而并不是由印度与亚洲碰撞而直接产生的。     

喜马拉雅西部雅鲁藏布江缝合带地壳尺度的构造叠置

陆陆碰撞过程是板块构造缺失的链条。印度板块与亚洲板块的碰撞造就了喜马拉雅造山带和青藏高原的主体。然而,人们对印度板块在大陆碰撞过程中的行为尚不了解。如大陆碰撞及其碰撞后的大陆俯冲是如何进行的、印度板块是俯冲在青藏高原之下还是回转至板块上部(喜马拉雅造山带内)以及两者比例如何,这些仍是亟待解决的问题。印度板块低角度沿喜马拉雅主逆冲断裂(MHT)俯冲在低喜马拉雅和高喜马拉雅之下已经被反射地震图像很好地揭示。然而,关于MHT如何向北延伸,前人的研究仅获得了分辨率较低的接收函数图像。因而,MHT和雅鲁藏布江缝合带之间印度板块的俯冲行为仍是一个谜。喜马拉雅造山楔增生机制,也就是印度地壳前缘的变形机制,反映出物质被临界锥形逆冲断层作用转移到板块上部,或是以韧性管道流的样式向南溢出。在本次研究中,我们给出在喜马拉雅造山带西部地区横过雅鲁藏布江缝合带的沿东经81.5°展布的高分辨率深地震反射剖面,精细揭示了地壳尺度结构构造。剖面显示,MHT以大约20°的倾斜角度延伸至大约60 km深度,接近埋深为70~75 km的Moho面。越过雅鲁藏布江缝合带运移到北面的印度地壳厚度已经不足15 km。深地震反射剖面还显示中地壳逆冲构造反射发育。我们认为,伴随着印度板块俯冲,地壳尺度的多重构造叠置作用使物质自MHT下部的板块向其上部板块转移,这一过程使印度地壳厚度减薄了,同时加厚了喜马拉雅地壳。     

岩石圈深层扩张与青藏高原隆升——岩石圈深层扩张模式初论

在综述有关青藏高原隆升的各种观点和模式后,依据青藏高原新生代变形和岩石圈组构特征,提出了高原隆升的新的动力学模式——岩石圈深层扩张模式。其基本观点是强调由于印度板块向欧亚板块的强烈俯冲造成岩石圈组构和变形的不均一性及岩石圈中存在的碰撞→收缩(重力不均衡)→伸展(均衡调整)的正向转变和由伸展→收缩的逆向转变的反复交替。据此将青藏高原的造山带划分为三种成因类型:喜马拉雅型、冈底斯型和昆仑型。     

青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程——亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启示

对亚东—格尔木和格尔木—额济纳旗地学大断面的研究揭示出青藏高原岩石圈的基本结构、组成、演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘向喜马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据,它们构成了使高原隆升的主要驱动力。多学科研究表明,青藏高原是一个由8个地体拼合的大陆。高原内部地壳20～30km深度附近普遍发育低速高导层,它是构造应力去偶层,其上地壳脆性变形,逆冲叠覆,缩短增厚;其下地壳结构横向变化大,韧性变形。藏南下地壳(50～70 km)速度发生逆转;而藏北下地壳速度增高并呈梯度变化,具有双莫霍面特征。高原莫霍面起伏变化大,南北边缘     

岩石圈深层扩张与青藏高原隆升──岩石圈深层扩张模式初论

在综述有关青藏高原隆升的各种观点和模式后，依据青茂高新生代变形和岩石圈组构特征，提出了高原隆升的新的动力学模式──岩石圈深层扩张模式。其基本观点是强调由于印度板块，向欧亚板块的强烈俯冲造成岩石圈和变形的不均一性及岩石圈中存在的碰撞→收缩（重力不均稀）→伸展（均稀调整）的正向转变和由伸展→收缩的逆向转变的反复交替。据此将青藏高原的造山带划分为三种成因类型：喜马拉雅型，冈底斯型和昆仑型。     

印度—亚洲俯冲带结构——岩浆作用证据

在印度与亚洲大陆碰撞之后 ,两个大陆之间是否存在大陆俯冲是关系到高原地壳加厚、隆升等构造演化模式的重要问题。近 2 0年来以各种地球物理方法为主的深部探测结果揭示了青藏高原的岩石圈结构 ,表明印度向亚洲下部的俯冲是存在的 ,但是其俯冲的规模仍存在争议。不同观点认为印度岩石圈前缘已经到达班公—怒江缝合带的下部约 2 0 0km深度、俯冲在整个西藏岩石圈深部、或者仅仅越过雅鲁藏布江断裂。地热泉He同位素、碰撞后岩浆作用的年代学、岩石学与地球化学研究结果表明冈底斯带与高原北部地区具有相同的岩石圈地幔源区 ,并且存在印度板块在 13～ 2 5Ma之前就俯冲在冈底斯带西部的岩石学和地球化学证据 ,考虑到印度板块的持续向北运动 ,则岩浆作用支持印度岩石圈现今已经达到或者越过班公—怒江缝合带的俯冲模式。     

Lithospheric Evolution and Geodynamic Process of the Qinghai-Tibet Plateau:An Inspiration from the Yadong-Golmud-Ejin Geoscience Transect

The Tibet Geoscience Transect (Yadong-Golmud-Ejin) has revealed the basic structures, tectonic evolution and geodynamic process of the lithosphere of the Qinghai-Tibet plateau. The evidence of northward thrusting of the Indian plate beneath the Himalayans on the southern margin and to southward compression of the Alxa block on the northern margin has been found. They were the driving forces causing the plateau uplift. The plateau is a continent resulting from amalgamation of eight terranes. These tenanes are separated by sutures or large-scale faults, and different terranes have different lateral inhomogeneities and multi-layered lithospheric structures. At depths of about 20-30 km of the crust in the ulterior of the plateau there commonly exists a low-velocity layer. It is an uncoupled layer of the tectonic stress; above the layer, the upper crustal slices were thrust and overlapped each other and the rocks underwent brittle deformation, thus leading to shortening and thickening of the upper crust Belo     

青藏高原的构造分区及其边界的变形构造特征

宏观构造特征的确立对青藏高原隆升和“动力学建模”具有重要意义。青藏高原是由来自塔里木-中朝板块的北昆仑-阿尔金-祁连地体,华南-东南亚板块的南昆仑地体、可可西里-巴颜喀拉地体和冈瓦纳古陆的羌塘地体、冈底斯地体及喜马拉雅地体等3大板块(或古陆)的6个地体经多次裂解、会聚和陆内俯冲作用拼合而成的巨型“会聚-陆内俯冲型”岩石圈块体,它以青藏高原南缘结合带、青藏高原北缘结合带和青藏高原东缘结合带依次与印度岩石圈块体、塔里木-阿拉善-鄂尔多斯岩石圈块体和扬子岩石圈块体相隔。按现今动力学特征,这一巨型岩石圈块体(一级构造单元)又可进一步划分为喜马拉雅、藏北、青南和昆仑-阿尔金-祁连等4个二级构造单元(地块),它们依次以雅鲁藏布江结合带、西金乌拉-金沙江结合带、中昆仑结合带为界。4个地块又可进一步划分为若干以断裂为界的三级构造单元(地体)。组成青藏岩石圈块体的各构造单元处于统一的地球动力学系统,它总的表现为:在印度板块向欧亚板块持续、强烈俯冲和热的、具柔性流变学特征的青藏块体整体向北北东方向移动的区域构造背景上,其南、北两侧的喜马拉雅地块、昆仑-阿尔金-祁连地块分别向冷的、刚性的印度岩石圈块体和塔里木- 阿拉善-鄂尔多斯岩石圈块体不对称逆冲叠覆。位于青藏高原腹部的藏北地块和青南地块,在深部存在大量低速体向上涌动和整体自西向东扩展的区域构造背景上,前者叠置近南北向挤压,形成以南北向断陷带及北西和北东向共轭走滑为主的构造格局,而青南地块除松潘-甘孜地体显示自北而南的逆冲叠覆外,可可西里-巴颜喀拉地体以逐一向东挤出的左行走滑作用为主,以致整个青南地块呈现向扬子岩石圈块体逆冲扩展和向三江构造带平移扩展。因此,就现今动力学而言,青藏高原在随着时间推移、隆升速度不断加快的同时,还逐渐向外缘的刚性地块扩展,即高原面积在不断增大。因此青藏高原的边界具有扩展性质,按扩展机制可区分两类扩展型动力边界:走滑型扩展边界和逆冲型扩展边界。典型的走滑型扩展边界位于青藏高原北缘的阿尔金山和青藏高原东缘的三江地区,青藏高原南缘的动力边界属典型的逆冲型扩展边界,而位于祁连山和龙门山的动力边界兼有逆冲和走滑双重扩展性质。     

揭示青藏高原的隆升——青藏高原亚东—格尔木地学断面

沿着亚东－格尔木地学断面，由地质，地球物理和地球化学综合数据，给出岩石圈演经的一般图像，青藏高原系由６个地体组成的；高原在垂向与横向是不均匀的，各地体间的组构是不同的；高原地壳的缩短与隆升是因素的，包括其中向北运动的印度板块的挤压作用及柴达木盆地阻力，地幔热活动比预期要差；喜马拉雅山带不同于安第斯山和阿尔卑斯山，有其自己的特征。     

西昆仑岩石圈的拆沉作用及其深部构造含义——地震层析成像及航磁异常证据

西昆仑构造带及其邻区的宽频带地震探测和航磁异常研究结果表明,西昆仑构造带的南部(亦即青藏板块)的岩石圈向塔里木盆地下部俯冲,西昆仑的蛇绿岩带是闭合于加里东造山时期的古特提斯洋的残迹;青藏板块在向塔里木盆地俯冲的过程中,受到来自北部坚硬、古老的塔里木地体的强力阻挡,使得向北俯冲的岩石圈产生裂解,发生拆沉;在青藏板块岩石圈发生拆沉作用的同时,南部青藏板块岩石圈的回弹及软流层的浮力作用导致上部地壳发生引张断陷,深部熔岩上涌造成了碱质型熔岩沿断陷裂隙喷溢,同时也形成了构造带两侧反逆冲构造格局;西昆仑中央断裂是青藏高原的“第四缝合带”,北昆仑构造带仅仅是由于在青藏板块岩石圈发生拆沉作用时,西昆仑构造带中地壳浅部物质逆冲于塔里木前陆之上形成的。     

The Yadong-Golmud Geoscience Transect in the Qinghai-Tibet Plateau1

Abstract On the basis of abundant geological and geophysical data, 6 terranes have been distinguished on the Qinghai-Tibet Plateau. The plateau is a single integrated lithospheric unit although it is divided into blocks. With Amdo as a boundary, the crust may be divided into two parts with different crustal structures. The struc-ture in the southern part is complex, while that in the northern part is simple, The current study has revealed that 8 factors such as slab subduction, overthrust and superimposition are responsible for crustal shortening and thickening in the region. The uplift of this region is possibly due to northward compression of the Indian plate and southward compression of the Eurasian plate with the former predominating. The compression led to the asthenospheric movements which were also influenced by thermal activity caused by doming at the boundary between the core and mantle.     

由地震探测揭示的青藏高原莫霍面深度

全球最新、规模最大的青藏高原造山带是研究陆陆汇聚、板块俯冲和高原隆升等大陆动力学问题的天然实验室。自20世纪50年代至今, 已经积累大量被动源地震观测和主动源地震探测资料用于揭示青藏高原的地壳与上地幔结构, 勾勒出青藏高原的壳幔结构的基本特征。本文在汇总前人工作基础上, 通过对深地震测深、深地震反射剖面和宽频地震观测三种地震方法资料的梳理, 探讨青藏高原的莫霍面深度及其分布特征。结果表明, 青藏高原莫霍面形态复杂, 深度变化很大, 分布总体特征呈现出中间浅, 南部较深, 北部较浅, 西部较深, 东部较浅的趋势, 最深的和最浅的莫霍面可以相差40 km。这种变化趋势记录了印度板块和欧亚板块的相互作用使高原地壳增厚、减薄过程, 并驱使地壳物质由西向东流动。     

青藏高原的地幔结构:地幔羽、地幔剪切带及岩石圈俯冲板片的拆沉

通过横穿青藏高原近 80 0 0km长的 4条天然地震层析剖面 ,获得 4 0 0km深度以上的地壳和地幔速度图像及地震波各向异性 ,揭示了青藏高原 4 0 0km深度范围内的地壳和地幔结构特征。地幔速度图像显示 ,青藏高原腹地的深地幔中存在以大型低速异常体为特征的地幔羽 ,其可能通过热通道与大面积分布的可可西里新生代高钾碱性火山作用有成因联系 ;阿尔金、康西瓦、金沙江、嘉黎及雅鲁藏布江等走滑断裂可下延至 30 0～ 4 0 0km深度 ,显示了低速高热物质组成的垂向低速异常带特征及大型超岩石圈或地幔剪切带的产出 ;发现康西瓦、东昆仑—金沙江、班公湖—怒江和雅鲁藏布缝合带下部存在不连续的高速异常带 ,可以解释为青藏高原地体拼合及碰撞过程中可能保留的加里东、古特提斯和中特提斯大洋岩石圈“化石”残片 ,是“拆沉”的地球物理证据。印度大陆岩石圈的巨厚俯冲板片以 15～ 2 0°倾角向北插入唐古拉山下 30 0km深处 ,并被高热物质组成的地幔剪切带分开。结合新的横穿喜马拉雅及青藏高原的地幔层析资料 ,提出青藏高原碰撞动力学新模式 :青藏高原南部印度岩石圈板片的翻卷式陆内超深俯冲 ,北缘克拉通向南的陆内俯冲 ,腹地深部的地幔羽上涌 ,以及地幔范围内的高原“右旋隆升”及物质向东及北东方向运动及挤出。