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。     

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。     

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。     

藏南错那拆离断层的活动时间限定及其构造意义

藏南拆离系(South Tibet Detachment System, STDS)是沿喜马拉雅造山带走向发育的一套伸展拆离系统，其形成过程与喜马拉雅造山带的隆升历史和演化过程密切相关，是研究印度-欧亚大陆碰撞造山过程中构造变形作用的重要对象。错那拆离断层(Cuona Detachment, CD)为STDS在错那地区的出露部分，其为一数千米宽的韧性剪切带，带内发育大量不同类型的淡色花岗岩，本文在野外大比例尺填图的基础上，在CD内识别出两期淡色花岗岩：早期同构造淡色花岗岩和晚期构造后淡色花岗岩，并分别对两期淡色花岗岩进行锆石LA MC-ICP-MS U-Pb分析测试。锆石U-Pb定年结果表明，CD在20Ma仍在持续活动，直到14.8～16.5Ma左右停止活动。同时结合前人研究结果，进一步探讨错那地区STDS演化过程以及其沿造山带走向上的差异性规律。沿着喜马拉雅造山带走向，不同地区的STDS的活动时间呈现出明显的差异性，本文认为STDS停止时间主要表现出由西构造结向东(如错那地区)逐渐变年轻的趋势。     

喜马拉雅造山带造山模式探讨

喜马拉雅是典型的碰撞型造山带,造山带结构构造复杂,可大致划分为以逆冲推覆构造为主的南喜马拉雅造山带和以各种伸展性构造为主的北喜马拉雅造山带,造山带内各类构造均发生过多期变形,且发生过多次缩短与伸展的构造反转,大喜马拉雅结晶杂岩系(GHC)内变形、岩浆及变质作用证明造山过程中存在渠道流作用。据此,本文提出一种由印度-欧亚大陆汇聚速率控制的多阶段造山模式:两大陆汇聚速度快时,青藏高原内形成南北向裂谷系(NSTR),喜马拉雅内经历造山过程,并在造山带中、下地壳形成作为底部拆离层的塑性层,汇聚速率慢时,青藏高原内形成共轭走滑断裂,喜马拉雅造山带内的塑性层发生松弛和重力扩散,形成渠道流,导致藏南拆离系(STDS)的启动、GHC的挤出和北喜马拉雅片麻岩穹窿(NHGD)的形成。上述的增厚与松弛均是在挤压体制下形成的,构造的反转是因挤压速率变化而产生的结构调节作用。     

地幔内异常热熔变与青藏高原的隆升

本文利用中法合作研究获得的定日—格尔木天然地震记录资料所揭示的青藏岩石圈存在的各向异性变化，讨论了雅鲁藏布江缝合带南北地幔物质运动方向的差异。结合区域重力场、地热和大量地质资料，提出了解释青藏高原形成和隆升的新模式。青藏高原是在印度板块和欧亚板块强烈碰撞挤压下，地壳缩短变形增厚，碰撞挤压达于极限，地幔内物质产生热熔变，导致了受热幔壳的急剧膨胀，托浮起上覆地壳整体，形成了巨大高耸而且地形平坦的高原。喜马拉雅造山带则是印度板块北缘俯冲受阻，逆冲叠覆堆积变形的结果。     

青藏高原错那—沃卡裂谷中部电性结构及其动力学意义

藏南裂谷作为青藏高原最显著的伸展构造样式之一,是研究高原生长过程的重要窗口,但目前其深部成因机制仍存在较大争议。本文利用沿错那—沃卡裂谷中部的大地电磁数据,分析裂谷区域的大地电磁测深曲线特征和相位张量,并通过三维大地电磁反演获得邛多江地堑和沃卡地堑深部电性结构。三维大地电磁反演结果显示,沃卡地堑和邛多江地堑深部存在一条连续的显著高导异常,并呈现“俯冲”形态,且上覆高阻结构体,而在邛多江地堑两侧浅部则分布低阻异常。结合早期的研究结果,本文支持错那—沃卡裂谷深部的高导异常为地壳部分熔融,可能与南向地壳流相关,并研究认为在南北向持续挤压作用下,裂谷下方的弱地壳层,通过解耦上地壳和下部地壳,促进了藏南裂谷系的发育。     

青藏高原碰撞造山带：Ⅲ. 后碰撞伸展成矿作用

“后碰撞”作为大陆碰撞造山作用的特定过程,以其重要的构造演化标示性特征和强烈的爆发式金属成矿作用,受到人们的高度重视。但涉及后碰撞的一系列重要地质问题,如后碰撞期的构造特征与演化历程、岩浆发育序列和岩石构造组合、伸展成矿作用与矿床系列组合等,尚未得到清楚完好的识别、理解和阐示。文章系统研究和总结了青藏高原后碰撞造山与成矿作用特征,提出了后碰撞伸展成矿作用的构造控制模型。研究表明,现今处于后碰撞阶段的青藏高原,中新世以来主要经历了两阶段发育历史。后碰撞早期阶段主要发生下地壳流动与上地壳缩短(>18Ma):下地壳塑性流动并向南挤出,在藏南地区形成EW向延伸的藏南拆离系(STD)和高喜马拉雅,上地壳强烈逆冲推覆,在拉萨地体发育EW向展布的逆冲断裂系;晚期阶段主要发生地壳伸展与裂陷(<18Ma):垂直碰撞带的EW向伸展,形成一系列横切青藏高原的NS向正断层系统(≤13·5Ma)及其围陷的裂谷系和裂陷盆地。后碰撞岩浆作用以形成钾质_超钾质火山岩、钾质埃达克岩、钾质钙碱性花岗岩与淡色花岗岩为特征,集中发育于冈底斯构造_岩浆带和藏南特提斯喜马拉雅。淡色花岗岩与藏南拆离构造有关,其他钾质_超钾质岩浆活动则与EW向地壳伸展有关。青藏高原后碰撞成矿作用强烈而复杂,主要形成斑岩型Cu矿、热液脉型Sb_Au矿、矽卡岩型和热液脉型Ag_Pb_Zn矿以及现代热泉型Cs_Au矿等重要矿床类型。斑岩型Cu矿及矽卡岩型多金属矿床形成于后碰撞伸展环境,岩浆起源于加厚的镁铁质新生下地壳;热液脉型Sb_Au矿发育于藏南拆离带及变质核杂岩周围,系中新世地热田浅成低温热液活动产物。热液脉型Ag_Pb_Zn矿主要产于拉萨地体内部的逆冲构造带内,与地壳流体的迁移汇聚过程有关。青藏高原后碰撞成矿作用在上地壳层次受3大构造系统控制,即①东西向伸展形成的近NS向正断层系统及裂谷裂陷带,②南北向地壳缩短形成的EW向展布的逆冲构造带和③EW向展布的拆离构造带,但在中下地壳/地幔层次上,则受中下地壳物质流动_挤出过程以及俯冲大陆板片断离_拆沉过程控制。     

喜马拉雅碰撞造山过程：变质地质学视角

本文从变质地质学视角出发，介绍了喜马拉雅造山带的研究意义、地质概况和近年来作者在喜马拉雅碰撞造山过程研究中的进展。喜马拉雅造山带是威尔逊旋回中陆陆碰撞造山带的典型代表，从中揭示的大陆碰撞造山过程、规律及效应，可为探索地球从古至今的碰撞造山带演化研究所借鉴。其中，大陆碰撞造山机制的研究是其核心内容。大陆碰撞造山机制存在临界楔和隧道流两种端元模型之争，其分别对造山带核部高级变质岩折返的P T t轨迹和时空演化序列进行了不同的预测。上述争议可通过研究喜马拉雅核部高级变质岩（高喜马拉雅）的P T t轨迹和折返过程来限定，据此可将喜马拉雅碰撞造山过程划分为三个演化阶段。阶段一：60～40 Ma，软碰撞期，造山带地壳加厚至约40 km并发生小规模部分熔融，这些早期地壳加厚记录大多已被剥蚀，零星保存于前陆飞来峰和北喜马拉雅片麻岩穹隆中；喜马拉雅山从海平面以下抬升至>1000 m。阶段二：40～16 Ma，硬碰撞期，造山带地壳加厚至60～70 km，发生大规模高级变质和深熔作用，高喜马拉雅内部的三个次级岩片沿着“原喜马拉雅逆冲断层”、“高喜马拉雅逆冲断层”、“主中央逆冲断层”顺序式向南挤出，形成了现今喜马拉雅造山带的核部主体，地壳堆叠使喜马拉雅山快速隆升至≥5000 m。阶段三：16～0 Ma，晚碰撞期，造山带山根榴辉岩化发生局部拆沉，但大陆汇聚仍在持续、造山带尚未发生垮塌，小喜马拉雅折返、前陆盆地形成，喜马拉雅山达到和维持现今平均高度~6000 m。因此，喜马拉雅生长过程的一级次序是顺序式向南扩展的，受控于临界楔模型，而隧道流只起次级作用。山根深部热流过程对造山带的地壳结构和地表高程有巨大的改造作用。未来对喜马拉雅造山带的变质地质学研究可能存在以下几个关键科学问题：① 喜马拉雅极端变质作用与重大碰撞造山事件的关联；② 喜马拉雅稀有金属成矿与接触变质作用的关联；③ 喜马拉雅变质脱碳作用与大陆碰撞带深部碳循环和通量。     

造山带的伸展作用及其地壳演化意义

造山带的伸展作用大致可以分为两种类型:(1)喜马拉雅型伸展,伸展限于上地壳,表现为规模有限的伸展断层,发生于俯冲—碰撞阶段;(2)科迪勒拉型伸展,整个地壳发生伸展,涉及拆离断层、沉积盆地、变质核杂岩的形成,发生于碰撞后阶段。对加厚地壳的热力学模拟,可以解释造山带挤压终止到伸展开始的时序与岩浆活动的关系。喜马拉雅型伸展伴随高压变质作用,并使变质岩系近等温减压;科迪勒拉型伸展与高温变质作用关系密切,伴随花岗质岩体的侵位,并使变质岩系近等温减压之后近等压冷却。     

Mechanism of Structure Variations at Rifted Margins in the Central Segment of South Atlantic: Insights from Numerical Modeling

Rifted margins in the central South Atlantic portray spatial variability in terms of preserved width and thickness, which relates to complex rift-related fault activities. However, there is still a lack of systematic and quantitative explanations for the causes of the variations that are observed along the paired rifts. To elucidate this issue, 2D viscous-plastic thermomechanical numerical models are applied to capture the behavior of deformation, in which we investigate the effects of extensional rate, crustal strength and thickness on crust-mantle coupling, and timing of transition from rifting to breakup. Our numerical experiments demonstrate that crust-mantle decoupling accounts for crustal hyperextension, and that incorporating moderate-intensity rheology into lower crust may yield insights into the hyper-extended crust and asymmetric architecture observed in the central South Atlantic. The results also suggest that undulations in lithospheric basement cause asymmetric mantle upwelling. The lower crust of fold belts takes priority to be thermally weakened over craton and induces rift migration simultaneously. A new mechanism for the formation of failed rift is described, where the mechanical decoupling derived from thermally weakened lower crust gives access to dual rift migration. These results reinforce the interpretation on how crustal rheology shapes margins architectures and highlight the first-order effects of crust-mantle coupling.     

雅鲁藏布中新生代深水沉积盆地形成和演化(Ⅲ)——喜马拉雅被动大陆边缘构造沉降分析

喜马拉雅特提斯中、新生代属印度板块北部被动大陆边缘。对充填这个被动大陆边缘的沉积物用“反剥法”(backstrippiog)进行研究,恢复了从被动大陆边缘到前陆盆地的抓降史。对分离出的盆地构造沉降曲线与McKenzie模式图版进行对比相关性分析,判断认为被动大陆边缘成熟期主要为热耗散沉降,前陆盆地时逆冲推覆动力为主要影响因素。     

Crustal structure of the East African Rift zone

A review of seismological data on the crustal structure of the East African Rift zone is presented. The only refraction line is that along the Gregory Rift, which indicates a 7.5 km/sec refractor which is presumed to be the Moho. The bulk of data is provided by surface-wave dispersion studies. Some preliminary measurements of crustal and sub-Moho velocities using the University of Durham array at Kaptagat in Kenya are included.

There is now a growing body of evidence that the crust is generally of shield type over the whole rift zone. The exception is along the axis of the Gregory Rift, where a low-velocity Moho and some crustal modification is apparent. This is presumably the result of magma intrusions and suggests some crustal separation along this section of the rift. Sub-Moho velocities are probably normal outside the rifts themselves, though anomalously low upper-mantle velocities are to be associated with rifting. There is firm evidence for thinning of the lithosphere along the eastern branch of the rift. A cross-section of the Gregory Rift which is consistent with the current data is presented.     

青藏高原的形成和演化机制

青藏高原是地球上最高大和最雄伟的年青隆起区。对于它的形成和演化机制,一直是国内外地质和地球物理学者注意的问题之一。 近十年来,人们认为青藏高原的形成是由于相距千里之遥的印度板块向北漂移并与欧亚板块碰撞的结果。然而,根据作者对喀喇昆仑和喜马拉雅等地的野外考察及其深部地球物理资料的研究,提出青藏高原原来是一个统一的前震旦纪陆壳区,后经震旦纪以来多次的拉开和挤压碰撞而形成的新观点。这种拉开和挤压的运动方式,是深部鳗隆和慢拗的分异作用引起的。     

Geologic and tectonic evolution of the Himalaya before and after the India-Asia collision

The geology and tectonics of the Himalaya has been reviewed in the light of new data and recent studies by the author. The data suggest that the Lesser Himalayan Gneissic Basement (LHGB) represents the northern extension of the Bundelkhand craton, Northern Indian shield and the large scale granite magmatism in the LHGB towards the end of the Palæoproterozoic Wangtu Orogeny, stabilized the early crust in this region between 2-1.9 Ga. The region witnessed rapid uplift and development of the Lesser Himalayan rift basin, wherein the cyclic sedimentation continued during the Palæoproterozoic and Mesoproterozoic. The Tethys basin with the Vaikrita rocks at its base is suggested to have developed as a younger rift basin (～ 900 Ma ago) to the north of the Lesser Himalayan basin, floored by the LHGB. The southward shifting of the Lesser Himalayan basin marked by the deposition of Jaunsar-Simla and Blaini-Krol-Tal cycles in a confined basin, the changes in the sedimentation pattern in the Tethys basin during late Precambrian-Cambrian, deformation and the large scale granite activity (～ 500 ± 50 Ma), suggests a strong possibility of late Precambrian-Cambrian Kinnar Kailas Orogeny in the Himalaya. From the records of the oceanic crust of the Neo-Tethys basin, subduction, arc growth and collision, well documented from the Indus-Tsangpo suture zone north of the Tethys basin, it is evident that the Himalayan region has been growing gradually since Proterozoic, with a northward shift of the depocentre induced by N-S directed alternating compression and extension. During the Himalayan collision scenario, the 10–12km thick unconsolidated sedimentary pile of the Tethys basin (TSS), trapped between the subducting continental crust of the Indian plate and the southward thrusting of the oceanic crust of the Neo-Tethys and the arc components of the Indus-Tangpo collision zone, got considerably thickened through large scale folding and intra-formational thrusting, and moved southward as the Kashmir Thrust Sheet along the Panjal Thrust. This brought about early phase (M1) Barrovian type metamorphism of underlying Vaikrita rocks. With the continued northward push of the Indian Plate, the Vaikrita rocks suffered maximum compression, deformation and remobilization, and exhumed rapidly as the Higher Himalayan Crystallines (HHC) during Oligo-Miocene, inducing gravity gliding of its Tethyan sedimentary cover. Further, it is the continental crust of the LHGB that is suggested to have underthrust the Himalaya and southern Tibet, its cover rocks stacked as thrust slices formed the Himalayan mountain and its decollement surface reflected as the Main Himalayan Thrust (MHT), in the INDEPTH profile.     

盆地岩石圈结构与油气成藏及分布

本文综述了大陆岩石圈研究现状和克拉通盆地、裂谷盆地和前陆盆地的岩石圈结构特征,指出在古裂谷、褶皱带或区域性深断裂等陆壳构造薄弱带上发育起来的多期叠合盆地,具有很好的含油气前景。大型含油气盆地往往存在地幔上隆、地壳减薄和地壳内低速层,盆地基底沉降与盖层沉积厚度较大。适度的后期构造活动改造和岩浆活动有利于沉积盆地内油气生成与保存。