有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱的青藏高原為什么高低不同？它是如何形成的？中國科學(xué)院青藏高原研究所(中科院青藏高原所)丁林院士領(lǐng)銜的大陸碰撞與高原隆升團隊受國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然綜述：地球與環(huán)境》主編邀請，近日以“青藏高原隆升時間和機制”為題發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)揭示青藏高原的差異性隆升過程和深部動力學(xué)機制。

　　研究團隊指出，大陸碰撞-俯沖等深部圈層作用驅(qū)動的青藏高原隆升是新生代全球最重要的地質(zhì)事件之一。高原隆升顯著影響了地表圈層—大氣圈、水圈/冰凍圈、生物圈和人類圈的耦合作用過程，深刻影響了亞洲氣候動力學(xué)、生物多樣性、碳循環(huán)、現(xiàn)代水資源分布和大江大河的演化，是21世紀(jì)地球系統(tǒng)科學(xué)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仍不清楚。近些年，隨著青藏高原定量古高度數(shù)據(jù)的加速產(chǎn)生，學(xué)界逐漸認(rèn)識到高原具有差異性隆升的特征，部分地區(qū)的隆升時間比以前的推測或早或晚，已有的動力學(xué)模式均不能完整體現(xiàn)高原隆升過程。

　　白堊紀(jì)構(gòu)造事件和青藏高原山脈雛形

　　丁林院士強調(diào)，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(gòu)造事件中繼承下來的古地貌和巖石圈的不均一性，這對認(rèn)識高原差異性隆升至關(guān)重要。

　　地體是以斷層為界的地殼碎片或地殼碎片的復(fù)合體，具有獨特的地質(zhì)歷史。通過詳細分析青藏高原白堊紀(jì)海陸轉(zhuǎn)換、構(gòu)造變形、巖漿和低溫?zé)崮甏鷮W(xué)證據(jù)，研究團隊提出，拉薩-羌塘地體的碰撞以及隨后的拉薩巖石圈向北俯沖導(dǎo)致了分水嶺山脈的初步生長；南部新特提斯洋的持續(xù)俯沖，在約9500萬年前將岡底斯地區(qū)隆升至海平面之上，形成與現(xiàn)今的安第斯山相似的發(fā)展過程，稱之為安第斯型岡底斯山，并在藏南地區(qū)形成顯著的降水效應(yīng)。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，但地表隆起的幅度仍有待量化。

　　印度-歐亞大陸初始碰撞時間和模式

　　研究團隊說，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(nèi)縮短變形量至關(guān)重要，而它們又是約束高原地表隆升幅度和深部動力學(xué)機制的關(guān)鍵。

　　目前，關(guān)于新特提斯洋閉合歷史的假說包括大印度洋盆模型、洋內(nèi)俯沖模型和單階段俯沖碰撞模型，這些模型都是基于丁林院士團隊等發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵證據(jù)——即印度-歐亞大陸碰撞形成的前陸盆地，該盆地在6500萬年至5900萬年前開始接受來自岡底斯島弧區(qū)的物源，表明此時印度-歐亞大陸已經(jīng)開始碰撞，大大早于此前國際公認(rèn)的印度與歐亞大陸在5000萬年前才初始碰撞的時間。

　　同時，丁林院士團隊近20年在西藏、巴基斯坦和印度工作還獲得關(guān)鍵認(rèn)識：一是目前發(fā)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(tǒng)，而非形成于遠離大陸的洋內(nèi)俯沖系統(tǒng)；二是巴基斯坦北部的證據(jù)表明約5200萬年前亞洲物質(zhì)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，最新發(fā)表的論文指出，單階段俯沖碰撞模型是解釋印度-歐亞大陸碰撞最簡單，也是得到地質(zhì)證據(jù)支持的模型。但遺憾的是，古地磁數(shù)據(jù)顯示，如果印度-亞洲大陸在約6000萬年前發(fā)生碰撞，印度和亞洲大陸巖石圈必須在完全的大陸環(huán)境中吸收約4000公里地殼縮短。然而目前地質(zhì)證據(jù)表明亞洲(小于1000公里)和喜馬拉雅(小于1000公里)地殼縮短量不到2000公里。

　　為協(xié)調(diào)地殼縮短和古地磁匯聚量之間的不匹配，國際學(xué)者提出大印度洋盆模型和洋內(nèi)俯沖模型，但目前都缺乏地質(zhì)證據(jù)的支持。另外，如果印度大陸在向北漂移過程中發(fā)生過約90度的逆時針旋轉(zhuǎn)，也可簡單吸收2000公里緯向縮短量。

　　青藏高原不同造山帶具有差異隆升歷史

　　丁林院士團隊認(rèn)為，解決高原隆升歷史的需求極大促進了古高度計的發(fā)展，廣泛使用的古高度定量重建技術(shù)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(shù)為大陸變形和高原生長提供了關(guān)鍵信息，可以更加清晰地認(rèn)識高原差異隆升過程和動力學(xué)機制。

　　結(jié)合已有定量古高度結(jié)果和深部動力學(xué)證據(jù)，研究團隊進一步恢復(fù)了青藏高原自約6000萬年前到現(xiàn)今不同地體地表隆升歷史和巖石圈演化過程，提出青藏高原不同造山帶具有差異的隆升歷史：

　　5500萬-4500萬年前，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。

　　4500萬-4000萬年前，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(fā)生陸內(nèi)俯沖，使得分水嶺山脈隆升到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。

　　4000萬-3000萬年前，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(xué)過程耦合作用，使得中央谷地抬升4500米的目前高度，青藏高原由造山帶正式轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一高原。

　　2500萬-1500萬年前，由于印度大陸的持續(xù)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(fā)生拆沉，喜馬拉雅山與昆侖山先后隆升到現(xiàn)代高度，現(xiàn)代意義上的高原形成。

　　丁林院士團隊指出，不過，青藏高原北部地區(qū)的隆升歷史尚存在較大的不確定性，需要更多定量古高度數(shù)據(jù)來驗證。

　　青藏高原隆升未來需重點發(fā)展四大研究方向

　　丁林院士團隊表示，地球物理探測揭示出現(xiàn)今印度和歐亞大陸巖石圈已發(fā)生從水平楔入到陡峭俯沖、板塊的撕裂、斷離以及拆沉等各種地球動力學(xué)行為，這表明在整個新生代印度-亞洲大陸碰撞過程中，不斷發(fā)生類似過程，最終導(dǎo)致青藏高原構(gòu)造變形、巖漿作用和地表隆升的時空差異性。

　　針對青藏高原隆升時間和機制問題后續(xù)研究，丁林院士團隊認(rèn)為，今后需要重點發(fā)展四個方面研究方向：

　　一是解決印度-歐亞大陸匯聚量和地殼縮短之間的不一致性；二是需要大量高分辨率的古高度數(shù)據(jù)精確限定高原隆升歷史；三是結(jié)合數(shù)值模擬和地質(zhì)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確重建高原地球系統(tǒng)演化歷史；四是結(jié)合地球物理成像技術(shù)和地球動力學(xué)模擬，闡明大陸巖石圈的循環(huán)過程和分布范圍，解析大陸碰撞如何影響鄰近板塊邊界的構(gòu)造以及全球規(guī)模的地幔對流。