自45Ma以来印度板块与欧亚板块陆陆碰撞形成高海拔的青藏高原和喜马拉雅山脉(图1)，研究发现不仅印度板块与欧亚板块之间发生汇聚，而且青藏高原内部至今仍发生板内变形，而汇聚带的宽度因喜马拉雅弧而异。国内外学者已提出了许多岩石圈过程模型：印度板块俯冲，青藏高原中北部下地壳流，青藏高原地壳面状缩短增厚，青藏高原岩石圈下部分对流剥离，印度和亚洲边缘的板内俯冲与陆块逃逸，等等。然而，大地测量、地质构造研究多数基于地表观测，属于地壳尺度的范畴，而对与岩石圈地幔范畴的研究较少。因此，青藏高原的地幔岩石圈过程及其对高原隆升、构造演化的作用至今并不明朗且存在争议。
图1 青藏高原以及相邻区域地质简图。
地震层析成像可以描绘地幔岩石圈的结合形态和空间范围，进而为青藏高原构造演化提供证据，然而，已有的不同地震成像结果复杂化了地幔岩石圈过程解释。由美国7位科学家组成的研究团队利用地震背景噪声伴随成像新技术对青藏高原周缘做了地幔岩石圈结构成像。他们发现高原中南部下方一个T形高速结构，推断为渐新世岩石圈拆沉残余，岩石圈对流剥离导致高原南部隆升与岩浆作用，而高原岩石圈拆沉激发软流圈拖曳力，导致印度岩石圈持续俯冲和高原北部岩石圈缩短增厚；同时，发现高原北部地幔顶部存在狭窄低速带，推断高原北部地表隆升与软流圈上涌、岩石圈热侵蚀密切相关。
图2 剪切波在不同深度的异常。
从地震成像结果看出（图2），青藏高原地幔浅于250 km的近水平高速结构被推断为向高原俯冲的印度岩石圈，其厚度可达100-150 km。印度岩石圈俯冲带从主前断裂以~10o的低角度向北延伸到金沙缝合带（JS），并不是前人所认为的延伸到班公怒江缝合带（BNS）南部。地震活动主要发生在印度岩石圈俯冲带上界面且浅于100 km。印度岩石圈俯冲带内部未见有大规模低速异常，即不支持拆沉或软流圈上涌引起的错段。高原南部地幔顶部局部可见的低速异常相对孤立，推测为地壳构造热或放射性热产生的部分熔融，而不是地幔驱使的。然而，印度岩石圈存在东西向的不均匀性，说明俯冲与前期存在的局部薄弱带相互作用。
图3 青藏高原横波速度结构三维可视化。
EARA2014模型的横波速度扰动：深红-4%、红-2%、蓝色2%。绿线标注了IYS、BNS、JS、AKMS四条缝合带。四个切片分别沿深度410km、660km和经度83oE、92oE提取。(a, b, c) 分别是从南部向上看、南部向下看、东部看印度、亚洲岩石圈及可能部分熔融的空间展布。
在高原中南部，印度岩石圈俯冲带下方存在T形高速结构，上层在转换带上方高150 km、宽~750 km（IYS南部至BNS北部），下层处于转换带高~250 km、宽~200km（IYS至BNS）。该T形高速结构与西太平洋地区常见的狭长高速带不同，其形体宽、无地震活动性，意味着它不是俯冲洋壳而是大陆岩石圈。该T形高速结构可能是印度岩石圈或青藏高原岩石圈或两者组合的拆沉。根据超钾质和埃达克质岩浆作用的时间，推测高原南部岩石圈拆沉的时间从~30 Ma持续到~9 Ma岩石圈拆沉驱使软流圈回流产生的渐新世地表隆升与超钾质和埃达克质岩浆作用，岩石圈持续拆沉激发软流圈拖曳力，促使印度岩石圈持续向北俯冲和高原北部岩石圈缩短增厚。
图4 推断的青藏高原构造演化模式
推断是基于剖面C的地震成像结果及前人的岩浆作用研究。(a) 30-25 Ma：陆陆碰撞而岩石圈增厚，对流引发岩石圈根部剥离和地表隆升，(b) 25-15 Ma：高原南部持续岩浆作用，而地幔岩石圈顶部的部分熔融和热侵蚀，(c) 15-10 Ma：印度岩石圈持续北向俯冲减少高原南部岩浆作用的热源，(d) 当前：高原南部被印度岩石圈完整俯冲到JS的南部，而高原北部的岩浆作用持续。
在高原北部，青藏高原岩石圈可能受软流圈上涌而热侵蚀或热改造。上地幔顶部的强低速带与近期（~15-0 Ma）的钾质岩浆作用空间上密切相关，支持高原北部的软流圈上涌观点。软流圈上涌而热改造导致地幔岩石圈轻快，从而支撑高原北部地表隆升。
该项研究发表于国际自然科学领域顶级期刊《Nature Communications》上： Chen M., Niu, F., Tromp, J., Lenardic, A., Lee, C. A., Cao, W., Ribeiro, J.. Lithospheric foundering and underthrusting imaged beneath Tibet. Nature Communications, 2017, 8: 15659.
来自：中国地质大学（北京）
（文：郭良辉译/地球物理与信息技术学院）
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