研究揭示青藏高原隆升過程和機制

7月28日，中國科學院院士、中科院青藏高原研究所研究員丁林帶領的大陸碰撞與高原隆升團隊，在《自然綜述-地球與環境》（Nature Reviews Earth & Environment）上，發表了題為《青藏高原隆升時間和機制》（Timing and Mechanisms of Tibetan Plateau uplift）的綜述文章，系統闡述了青藏高原的差異性隆升過程和深部動力學機制。

大陸碰撞-俯沖等深部圈層作用驅動的青藏高原隆升是新生代全球最重要的地質事件之一。高原隆升顯著影響地表圈層-大氣圈、水圈/冰凍圈、生物圈和人類圈的耦合作用過程，深刻影響亞洲氣候動力學、生物多樣性、碳循環、現代水資源和大江大河演化，是21世紀地球系統科學研究的前沿陣地。

然而，在大陸碰撞過程中，青藏高原大陸巖石圈變形和地表高程時空變化的機制尚不清楚。近些年，隨著青藏高原定量古高度數據的加速產生，科研人員逐漸認識到高原具有差異性隆升的特征，部分地區的隆升時間比以前的推測或早或晚，已有的動力學模式均不能完整體現高原隆升過程。

“青藏高原的完整演化模式必須考慮亞洲在印度-歐亞大陸碰撞之前的構造事件中繼承下來的古地貌和巖石圈的不均一性，這對認識高原差異性隆升至關重要。”丁林說。

通過詳細分析青藏高原白堊紀海陸轉換、構造變形、巖漿和低溫熱年代學證據，研究提出，拉薩-羌塘地體的碰撞以及隨后的拉薩巖石圈向北俯沖導致分水嶺山脈的初步生長；南部新特提斯洋的持續俯沖，在約9500萬年前將岡底斯地區隆升至海平面之上，從而形成與現今的安第斯山相似的發展過程，稱為安第斯型岡底斯山，并在藏南地區形成顯著的降水效應。此時的青藏高原僅有兩條狹窄的山脈，即分水嶺山脈和岡底斯山脈，但地表隆起的幅度有待量化。

印度-歐亞板塊碰撞時間和方式對于限定印度北緣范圍和新生代陸內縮短變形量至關重要，而它們又是約束高原地表隆升幅度和深部動力學機制的關鍵。

關于新特提斯洋閉合歷史的假說包括大印度洋盆模型（圖1a）、洋內俯沖模型（圖1c-d）和單階段俯沖碰撞模型（圖1d）。這些假說對大印度（已俯沖消失到青藏高原下的印度部分）的規模以及印度-歐亞大陸初始碰撞時間做出了不同預測。而以上模型均是基于丁林團隊等發現的關鍵證據——印度-歐亞大陸碰撞形成的前陸盆地。該盆地在6500萬年至5900萬年之間開始接受來自岡底斯島弧區的物源，表明此時印度-歐亞大陸已開始開始碰撞，早于此前國際公認的印度與亞洲大陸在5000萬年才初始碰撞的時間。

同時，該團隊近20年在西藏、巴基斯坦和印度的研究工作取得了關鍵認識：目前發育在藏南的岡底斯巖漿弧、弧前盆地、蛇綠巖和海溝形成于拉薩地體南緣的洋-陸俯沖系統，而非形成于遠離大陸的洋內俯沖系統；巴基斯坦北部的證據表明約5200萬年亞洲物質可以到達印度次大陸，不支持印度-歐亞大陸碰撞前存在洋盆。因此，該論文提出，單階段俯沖碰撞模型是解釋印度-歐亞大陸碰撞最簡單、且得到地質證據支持的模型。

然而，古地磁數據提出，如果印度-亞洲大陸在約6000萬年發生碰撞，印度和亞洲大陸巖石圈必須在完全的大陸環境中吸收約4000公里縮短量。而目前地質證據表明亞洲（<1000公里）和喜馬拉雅（<1000公里）地殼縮短量不到2000公里。為了協調地殼縮短和古地磁匯聚量之間的不匹配，國際上有學者提出大印度洋盆模型和洋內俯沖模型（圖1a-c），但上述模型均缺乏地質證據支持。另外，如果印度大陸在向北漂移過程中發生過約90度°的逆時針旋轉，也可簡單的吸收2000公里的緯向縮短量。

解決高原隆升歷史的需求促進古高度計的發展，廣泛使用的古高度定量重建技術包括氫/氧同位素、動植物化石、團簇同位素等。這些古高度定量重建技術為大陸變形和高原生長提供了關鍵信息，可更加清晰地認識高原差異隆升過程和動力學機制。

結合已有定量古高度結果和深部動力學證據，科研團隊恢復了青藏高原自約6000萬年以來不同地體地表隆升歷史（圖2）和巖石圈演化過程（圖3），提出青藏高原不同造山帶具有差異的隆升歷史。5500萬年至4500萬年前，由于新特提斯洋俯沖板片的斷離，岡底斯造山帶隆升到4500米高海拔；4500萬年至4000萬年，新特提斯板塊斷離之后，更具浮力的印度巖石圈向北水平楔入，激活羌塘地體南北部縫合帶發生陸內俯沖，使分水嶺山脈隆升到5000米的高海拔；此時位于岡底斯造山帶和分水嶺造山帶之間的中央谷地、高原最南部的喜馬拉雅造山帶以及高原北部還處于小于2000米的低海拔，高原整體形成“兩山夾一盆”的地貌特征。4000萬年至3000萬年，拉薩巖石圈在中央谷地下方拆沉，上地殼縮短、巖漿底墊和軟流圈上涌等多種深部地球動力學過程耦合作用，使中央谷地抬升4500米的目前高度。這標志著青藏高原由造山帶正式轉變為統一高原。250萬年至1500萬年，由于印度大陸的持續俯沖，喜馬拉雅山脈下方俯沖的印度大陸巖石圈及藏北可可西里-昆侖山下方俯沖的歐亞大陸巖石圈先后發生拆沉，喜馬拉雅山與昆侖山先后隆升到現代高度，現代意義上的高原形成（圖2、3）。然而，北部地區的隆升歷史存在較大不確定性，需要更多的定量古高度數據來約束。

地球物理探測揭示了現今印度和歐亞大陸巖石圈發生了從水平楔入到陡峭俯沖、板塊撕裂和斷離以及拆沉等各種地球動力學行為（圖4），從而指示在整個新生代印度-亞洲大陸碰撞過程中，類似的過程不斷發生，最終導致青藏高原構造變形、巖漿作用和地表隆升的時空差異。

針對青藏高原隆升的時間和機制問題，該研究提出了今后的研究重點：解決印度-歐亞大陸匯聚量和地殼縮短之間的不一致性；需要大量高分辨率古高度數據精確限制高原隆升歷史；結合數值模擬和地質數據對高原地球系統演化歷史進行準確重建；結合地球物理成像技術和地球動力學模擬，闡明大陸巖石圈的循環過程和分布范圍，分析探索大陸碰撞如何影響鄰近板塊邊界的構造以及全球規模的地幔對流。

研究工作得到第二次青藏高原綜合科學考察研究、國家自然科學基金青藏高原地球系統基礎科學中心項目、中科院戰略性先導科技專項（A類）“泛第三極環境變化與綠色絲綢之路建設”（“絲路環境專項”）等的支持。

圖1.印度-歐亞大陸初始碰撞模型。a、大印度洋盆模型，b、洋內俯沖模型，c、弧后盆地模型，d、單階段俯沖碰撞模型。

圖2.青藏高原不同地體差異隆升歷史

圖3.青藏高原不同地體巖石圈演化過程、地表隆升歷史和環境演變