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武汉大学“千人计划”宋晓东教授团队揭示青藏高原岩石圈结构及变形机制

时间:2018-08-01 来源:未知 点击:
    新生代以来的印度-亚洲大陆碰撞造成了青藏高原,影响了几乎整个东亚新生代的地质构造,也导致了中国西部及周边地区大地震频发。研究清楚该碰撞系统对于理解大陆动力学和防震减灾有重要的意义。其中,印度岩石圈板块的形态及其在高原隆升中扮演的角色是亟待解答的基本问题之一。青藏高原有许多神秘的地方。在大陆挤压碰撞的环境中,高原上却分布有许多大型南北向裂谷,尤其在南部。同样神秘的是大陆内部极少有的中源地震(深度达70到110公里),而且震源机制主要是拉张剪切型的(正断层和走滑断层)。然而,广阔的青藏高原给地质和地球物理的研究带来极大困难。
    通过高分辨率的地震成像,及与地质、测地学、地球化学等多学科观测结果的比较,来自美国伊利诺伊大学和中国武汉大学的科学家们发现青藏高原南部的印度岩石圈板片撕裂成了至少四块,同时藏南的岩石圈呈现出耦合的变形(图1)。这个模型对理解青藏高原的变形和评估该地区的地震灾害有重要的启示。伊利诺伊大学地质系地球物理教授、武汉大学测绘学院“千人计划”教授宋晓东和伊利诺伊大学博士李江涛近日在《美国国家科学院院刊》杂志上发表了他们的这项成果。

图1. 印度岩石圈板片撕裂及青藏高原中南部地壳(橙色)和地幔岩石圈(蓝色)耦合变形的示意图。
    研究人员利用地震产生的地震波来对地球内部进行成像,得到了中国西部高分辨率的地幔最顶部的P波速度模型(图2),并与研究团队之前发表的岩石圈S波速度模型(至160公里深度)进行对比。结果显示印度的地幔岩石圈在青藏高原南部撕裂成了至少四块,其中西部和东部的板片俯冲更平、距离更远,而中部的板片俯冲角度更陡,大致停在了班公湖-怒江缝合带的位置。同时,研究人员对多个地震目录中4级以上的地震进行了统计分析,发现不管是浅部还是较深部的地震活动性,都集中分布在四块俯冲板片内,被三条撕裂带分隔开,特别是一些不寻常的中源地震(大于70公里,可能的地幔地震)的分布。藏南的测地学(全球定位系统)数据得到的地表高压缩应变率区域也被三条撕裂带分开。此外,在过去一千年里,喜马拉雅碰撞带的大地震破裂区域都分布在几个块体内。这些块体边界的位置恰好和观测到的三条撕裂带吻合,说明深部结构和浅表大地震破裂带的分布有一定的联系。

图2. 地幔最顶部的P波(Pn波)速度图及地震活动性分布。白色或品红色等高线表示地震目录中所有深度或40公里以下的4级及以上地震集中的区域。黑色虚线标出了三条撕裂的位置,黑色点线标出了印度岩石圈板片俯冲前沿的近似位置。
    这些地球物理观测似乎都显示印度地幔岩石圈被撕裂成了几块,而且撕裂对青藏高原中南部整个地壳变形有强烈的影响(图1)。这种撕裂可能是藏南地壳拉张、裂谷和熔岩形成的主要原因。印度岩石圈板块向北俯冲时,可能受到不同的阻力。中间部分受到比较坚硬的拉萨块体的阻止,俯冲距离比较短,角度比较陡。不同阻力和俯冲角度造成了撕裂,从而产生拉张和剪切的应力环境,并通过岩石圈耦合,造成脆性上地壳的裂谷。俯冲板片对应的区域的强度足以积累应变而产生地震,而撕裂带对应的区域则强度弱一些和有较高的温度而主要表现为塑性形变。印度岩石圈板片的撕裂还可以解释晚中新世和第四纪的裂谷以及藏南观测到的幔源超钾质埃达克岩。
    此项研究成果于7月30日发表在《美国国家科学院院刊》上,宋晓东为通讯作者,李江涛为第一作者。数据来自美国地震联合会、中国地震台网、国际地震中心及美国地质调查局。该成果获得美国国家科学基金、中国地震局行业科研专项、中国自然科学基金资助。
    文章详情请见: 
    Li, J.T. and X.D. Song (2018). Tearing of Indian mantle lithosphere from high-resolution seismic images and its implications for lithosphere deformation in southern Tibet. Proc. Natl. Aca. Sci. USA, DOI: 10.1073/pnas.1717258115.