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袁杰等-NSR:印度-亞洲大陸碰撞新模型
2020-07-31 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  印度-亞洲大陸碰撞是地質歷史時期最重大的構造事件之一,形成世界屋脊青藏高原和雄偉的喜馬拉雅山脈(1),對亞洲乃至全球的海陸分布格局、氣候環境和生物多樣性都產生了深遠的影響。青藏高原作為研究陸-陸碰撞最為理想的天然實驗室,對印度-亞洲大陸初始碰撞時間和碰撞動力學過程的研究長期以來一直是固體地球科學領域的前沿和熱點。印度-亞洲大陸初始碰撞時間是理解喜馬拉雅造山作用的起點,而印度-亞洲大陸碰撞動力學過程則是重建大陸碰撞造山帶和青藏高原演化過程的關鍵。近年來自沉積物源方面的證據表明,約60 Ma亞洲碎屑物質首次沉積到印度北緣被動大陸邊緣(DeCelles, 2014; Wu, 2014; Hu, 2015),標志著印度-亞洲大陸初始碰撞,該初始碰撞時間被國內外廣泛接受(丁林等, 2017; 胡修棉等, 2017; Kapp and DeCelles, 2019; van Hinsbergen, 2019; Parsons, 2020)。 

  然而,對印度-亞洲大陸碰撞動力學過程的理解還存在諸多不同看法,學界提出了多個模型,可歸結為單階段碰撞模型和雙階段碰撞模型兩大類。其中,單階段碰撞模型以大印度大陸模型(Greater India model)為代表,又被稱為continental Greater India model (Westerweel, 2019)。雙階段碰撞模型包括大印度洋盆假說(Greater India Basin hypothesis) (van Hinsbergen, 2012)和弧陸碰撞模型(the island arc-continent collision model) (Aitchison, 2007)。最近,Kapp and DeCelles (2019)提出了新版的雙階段弧陸碰撞模型(the India-arc collision with the Xigaze backarc ocean basin),這里稱之為日喀則弧后洋盆模型。這些模型各有優點,但都只能或多或少地解釋目前已觀察到的部分地質事實。 

  為準確限定印度-亞洲大陸碰撞的時間、位置和動力學過程,在國家自然科學基金和中科院國際合作伙伴計劃項目的資助下,中國科學院地質與地球物理研究所博士研究生袁杰、鄧成龍研究員、朱日祥院士、郭正堂院士、賀懷宇研究員、李仕虎博士、沈中山博士研究生、秦華峰副研究員,以及首都師范大學楊振宇教授,荷蘭烏特勒支大學Wout Krijgsman教授,南京大學胡修棉教授、安慰博士,中國科學院青藏高原研究所丁林院士共同合作,對藏南特提斯喜馬拉雅地塊江孜地區的上白堊統床得組大洋紅層和薩嘎地區的古新統桑單林組深水紅色硅質頁巖(1)開展構造古地磁學、巖石磁學、磁性地層學和巖相學(2,圖3)等綜合研究,獲得了可靠的古地磁數據,揭示了特提斯喜馬拉雅地塊在白堊紀晚期-古近紀初期快速向北漂移的特征,提出了北印度海”(North India Sea)假說,并在此基礎上構建了兩階段的印度-亞洲大陸碰撞動力學新模型(4,圖5)。 

1 研究區地質與地形。(a)青藏高原及其周邊地形圖;(b)印度與亞洲大陸碰撞帶地質簡圖,修改自Yin(2006);(c)江孜地區地質簡圖,修改自Chen(2006);(d)薩嘎地區地質簡圖

  首先,本研究從江孜地區床得組白堊紀大洋紅層中獲得了通過倒轉檢驗、并由碎屑赤鐵礦攜帶的原生剩磁,應用E/I(Tauxe and Kent, 2004)和等溫剩磁(IRM)各向異性法(Hodych and Buchan, 1994)進行了磁傾角校正,從而將特提斯喜馬拉雅地塊中東部約75 Ma的古地磁極確定為40.8°N/256.3°E,A95 = 1.8°,古緯度為19.4° ± 1.8°S,而此時亞洲大陸南緣的拉薩地塊位于約13.7°N。因此,約75 Ma時,特提斯喜馬拉雅地塊和拉薩地塊仍然被緯向寬度為3600 km左右的新特提斯洋所分隔(4,圖5)。其次,從薩嘎地區桑單林組深水紅色硅質頁巖中獲得了通過倒轉檢驗和褶皺檢驗、并由碎屑赤鐵礦攜帶的原生剩磁,應用IRM各向異性法(Hodych and Buchan, 1994)進行了磁傾角校正,從而獲得特提斯喜馬拉雅地塊中東部約61 Ma的古地磁極為74.0°N/278.5°E,A95 = 2.5°,古緯度為13.7° ± 2.5°N。 

2 代表性樣品巖相學與巖石磁學分析。CL043-1、SE12-1MB4-8分別來自才狼把剖面、桑單林剖面和木巴拉剖面。(a-c)掃描電子顯微鏡圖片;(d-f)磁滯回線;(g-i)矯頑力譜分析

3 古地磁結果。(a-i)代表性樣品系統熱退磁正交投影圖、等面積投影圖及剩磁衰減圖;(j-l)高溫剩磁分量(HTC)分別在地理坐標和地層坐標下的等面積投影圖

4 印度-亞洲大陸碰撞動力學演化,分別示意(a)75 Ma、(b)61 Ma、(c)53 Ma(d)48 Ma的古地理模式。BNSZ為班公湖-怒江縫合帶,WZFZWallaby-Zenith斷裂帶。黑色星號表示計算大印度延伸尺寸的參考點(29.3°N, 85.3°E)

  上述高質量的古地磁結果準確限定了特提斯喜馬拉雅地塊的位置,即在約75 Ma位于19.4° ± 1.8°S,而在約61 Ma已經向北快速移動到13.7° ± 2.5°N。因此,75~61 Ma期間,特提斯喜馬拉雅地塊的北向漂移速率為260.1 mm/year。而通過印度大陸的視極移曲線等方法計算得到印度克拉通在80~60 Ma期間的北向漂移速率僅為99.6 mm/year。特提斯喜馬拉雅地塊與印度克拉通存在明顯的漂移速率差異,意味著在約75 Ma后特提斯喜馬拉雅地塊裂解并離開印度大陸,在兩者之間形成一個拉分盆地,本研究稱之為北印度海”(North India Sea) (4,圖5)。本研究進一步探討了特提斯喜馬拉雅地塊的裂解機制,認為Reunion地幔柱上涌對印度被動大陸邊緣巖石圈減薄和新特提斯洋殼巖石圈長時間俯沖產生的拖拽力等過程的共同作用下,導致特提斯喜馬拉雅地塊裂解并張開形成北印度海。特提斯喜馬拉雅地塊快速向北漂移,在約61 Ma與亞洲大陸南緣的拉薩地塊發生初始碰撞,碰撞位置位于約14°N。隨后,印度與特提斯喜馬拉雅地塊在約53~48 Ma發生第二階段碰撞,該碰撞自西向東穿時性發生,導致北印度海自西向東逐漸關閉(4)。 

  沿低喜馬拉雅帶在巴基斯坦、印度、尼泊爾等地和喜馬拉雅東部地區廣泛發育了上白堊統-始新統或古新統-始新統淺海相地層,本研究認為是北印度海存在的證據。根據區域大地構造分析,本研究推測,主中央逆沖斷裂帶很可能是第二階段洋殼俯沖的古地理位置。 

5 晚白堊世以來印度-亞洲大陸碰撞過程的階段劃分(a)及其與印度-亞洲大陸匯聚速率變化歷史(b)的關聯。圖b的數據來自Cande and Stegman(2011)

  本研究提出的北印度海假說及兩階段的印度-亞洲大陸碰撞動力學新模型與印度-亞洲的匯聚速率變化歷史可以完美匹配(5)。例如,從70 Ma63 Ma,匯聚速率從約80 mm/year快速增加到約180 mm/year,本研究認為與Reunion地幔柱的推動作用有關;63-61 Ma期間匯聚速率從約180 mm/year急劇下降到約110 mm/year,特提斯喜馬拉雅地塊和拉薩地塊在61Ma發生的碰撞可很好地解釋該匯聚速率變化;在61-53 Ma期間匯聚速率由約110 mm/year緩慢上升到約130 mm/year,對應于北印度海的逐步收縮;在53~48 Ma期間匯聚速率顯著降低,則與特提斯喜馬拉雅地塊和印度在此期間發生穿時性碰撞導致北印度海自西向東逐步關閉的過程相符。 

  上述假說和模型還協調了一系列地質證據。本研究的古地磁結果表明,特提斯喜馬拉雅地塊與拉薩地塊在61 Ma發生第一階段的大陸碰撞,碰撞位置約為14°N,該碰撞最為直接的地質證據就是亞洲碎屑物質在60 Ma左右首次到達印度北緣被動大陸邊緣(DeCelles, 2014; Wu, 2014; Hu, 2015)。 

  同時,對于第二階段的印度-亞洲大陸碰撞,即53~48 Ma期間特提斯喜馬拉雅地塊和印度之間的穿時性碰撞,也得到大量地質證據的支持。例如:(1)亞洲來源的碎屑鋯石在始新世早期(55 Ma)已經沉積到印度大陸小喜馬拉雅(sub-Himalaya)巴基斯坦Balakot地區(Ding, 2016),而低喜馬拉雅帶(Lesser Himalaya)中部尼泊爾地區獲得特提斯喜馬拉雅沖斷帶碎屑的年代不晚于45 Ma (DeCelles, 2004; Najman, 2005),可支持本次研究提出的53~48 Ma期間發生的第二階段穿時性大陸碰撞。(2)近年來的研究顯示,特提斯喜馬拉雅海相地層自西向東穿時性消失,在西部Zanskar地區消失時間為52~50 Ma,在中-東部的定日-崗巴地區為43~41 Ma,在東部的堆納地區為35 Ma (Rowley, 1996; 胡修棉等, 2017),這些地質現象也支持53~48 Ma期間發生的第二階段穿時性大陸碰撞。(3)藏東貢覺盆地在52~48 Ma發生約30°的順時針旋轉(Li, 2020),同時貢覺盆地和可可西里盆地共同記錄了54~52 Ma期間急劇增加的沉積速率變化特征(Li, 2020; Jin, 2018)。(4)孟加拉盆地在始新世中期來自喜馬拉雅的碎屑也急劇增加(Alam, 2003),也是對53~48 Ma期間發生的第二階段大陸碰撞的響應。(5)特提斯喜馬拉雅帶、高喜馬拉雅帶和低喜馬拉雅帶都記錄了各種獨立的證據,例如,特提斯喜馬拉雅帶在始新世-漸新世記錄了地殼縮短、快速折返和巖漿作用,高喜馬拉雅帶記錄了同期構造埋藏作用、高級變質作用和深熔作用以及印度克拉通發育同期前陸盆地(DeCelles, 2014; 丁林等, 2017)。以上地質證據都表明特提斯喜馬拉雅地塊和印度大陸48 Ma已經完成碰撞。 

  本研究提出的北印度海假說及兩階段的印度-亞洲大陸碰撞動力學新模型對印度-亞洲大陸碰撞過程、青藏高原隆升和變形、亞洲古地理和生物多樣性格局演化都提供了重要制約,還為喜馬拉雅造山作用與全球氣候變化關聯的構造-氣候關系研究及古氣候數值模擬提供了關鍵的邊界條件。 

  研究成果發表于National Science Review。(Yuan J, Yang Z Y*, Deng C L*, Krijgsman W, Hu X M, Li S H, Shen Z S, Qin H F, An W, He H Y, Ding L, Guo Z T, Zhu R X. Rapid drift of the Tethyan Himalaya terrane before two-stage India-Asia collision[J]. National Science Review, 2020: nwaa173. DOI: 10.1093/nsr/nwaa173)(原文鏈接 

 
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