天大,|《自然-通訊》雜誌發表青藏高原流體地球化學研究成果

青藏高原東南部自印度-亞洲大陸碰撞以來經歷了多階段生長過程,上述爭議問題在這一地區的生長機制研究中表現得尤為突出,現時主要有兩種觀點。綜合運用地質、地球物理以及數值模擬等多學科研究方法,能够為理解高原生長動力學過程提供重要的資訊,但現時仍缺乏能够有效訓示高原生長動力學過程發生深度的地球化學名額。

新生代以來,印度與亞洲大陸之間的彙聚、碰撞和俯衝過程造就了現今高聳遼闊的青藏高原,由此導致的海陸格局、大氣環流、地貌水系以及深源氣體釋放等地球深部-表層響應變化和多圈層相互作用,對區域和全球氣候環境變化產生了重要影響。青藏高原的生長過程包括地表隆升和側向擴展,前人對此提出了地殼縮短-走滑逃逸、下地殼通道流、岩石圈拆沉以及地幔整體對流等多個高原生長模型,但這些模型在地表隆升和側向擴展的驅動機制方面存在顯著區別,其中爭議的一個焦點問題是高原生長動力學過程發生的深度或尺度。青藏高原東南部自印度-亞洲大陸碰撞以來經歷了多階段生長過程,上述爭議問題在這一地區的生長機制研究中表現得尤為突出,現時主要有兩種觀點。一種觀點認為,青藏高原通過地殼縮短實現地表隆升,而後沿大規模走滑斷裂體系逐步向東南方向擴展,其中走滑逃逸過程可能發生在岩石圈地幔尺度上;另一種觀點則認為,青藏高原地表基本不變形,而是通過下地殼流動實現高原向東南方向的邊界擴展,強調地殼尺度上的高原生長動力學過程。由此可見,分清高原生長動力學過程發生的深度是區分上述模型的關鍵。綜合運用地質、地球物理以及數值模擬等多學科研究方法,能够為理解高原生長動力學過程提供重要的資訊,但現時仍缺乏能够有效訓示高原生長動力學過程發生深度的地球化學名額。

針對上述科學問題,天津大學地科院徐勝教授團隊與中國科學院地質與地球物理研究所、中國地震局地震預測研究所、中國科學院西北生態環境資源研究院油氣資源研究中心、美國伍茲霍爾海洋研究所以及日本東京大學等國內外科研機構的合作者,聚焦青藏高原東南部的主要活動斷裂帶和第四紀火山區(圖1),利用溫泉氣體的化學成分、He-C-N同位素組成以及定量計算模型,有效區分並分清了溫泉氣體中幔源和殼源氣體的貢獻比例及其空間變化特徵,建立了印度-亞洲大陸彙聚背景下深源氣體釋放與區域應力分佈之間的耦合關係。在此基礎上,結合區域構造與岩漿活動歷史,探討了中-晚中新世(13–10 Ma)以來青藏高原東南部側向擴展和局部地表隆升的可能機制。該研究取得了以下主要認識。

圖1青藏高原東南部構造格局和深源He釋放特徵示意圖

1、青藏高原東南部深源氣體釋放的空間變化特徵

基於溫泉氣體的He-CO2-N2元素和同位素組成特徵,研究人員在騰沖地塊和思茅地塊的第四紀火山區以及青藏高原東南部的主要活動斷裂帶(鮮水河斷裂、理塘斷裂、三江斷裂帶和紅河斷裂;圖1)的溫泉氣體中識別出顯著的幔源氣體貢獻。例如,鮮水河斷裂康定-磨西段的幔源He貢獻比例達到10–47%,理塘斷裂、紅河斷裂和三江斷裂帶的溫泉氣體中也普遍存在1–13%的幔源He貢獻(圖2)。上述觀測結果表明青藏高原東南部存在一個岩石圈尺度的走滑斷裂體系。其中,He同位素證據明確地訓示部分活動斷裂帶的切割深度達到了岩石圈地幔,證實青藏高原東南部的側向擴展過程發生在地幔尺度上。此外,在康定-磨西地區觀察到的高3He/4He比值、高應變速率和貢嘎山快速剝露歷史表明,受鮮水河斷裂帶走滑擠壓作用控制的局部地表隆升也與地幔尺度的動力學過程有關。

圖2青藏高原東南部氣體3He/4He比值和δ13C-CO2值分佈特徵

2、印度-亞洲大陸彙聚背景下深源氣體釋放與區域應力分佈的耦合關係

結合溫泉氣體3He/4He比值分佈與區域應變速率場特徵,建立了青藏高原東南部深源氣體釋放與區域應力分佈的耦合關係。研究發現,沿印度大陸向亞洲大陸彙聚的方向(即,遠離印度-亞洲彙聚邊界的NE方向),三江斷裂帶、理塘斷裂和鮮水河斷裂的溫泉氣體3He/4He比值與採樣點對應的應變速率表現出顯著的正相關關係(圖3),表明青藏高原東南部的邊界斷裂和內部斷裂所承載的區域應力存在明顯差异。位於高原邊界的鮮水河斷裂具有較高的剪切應力,有利於斷裂深切岩石圈、斷裂帶滲透性增强以及幔源He的快速釋放,即在地表採集的溫泉氣體中能觀察到較高的3He/4He比值。相對來說,位於高原內部的三江斷裂帶和理塘斷裂所承載的區域應力較低,溫泉氣體的3He/4He比值也相應較低。上述觀測結果揭示了印度-亞洲大陸彙聚背景下青藏高原東南部區域應力分佈的不均一性。

圖3印度-亞洲大陸彙聚方向上的氣體3He/4He比值和區域應變速率關係

3、中-晚中新世以來青藏高原東南部生長動力學過程的可能機制

由於高原生長過程伴隨著大規模構造運動和岩漿活動,並且深源氣體釋放對深部動力學過程具有較高的響應靈敏性,現今觀測到的氣體地球化學异常對於理解高原生長動力學過程具有重要的訓示意義。在分清現今深源氣體釋放與高原生長動力學過程的基礎上,進一步結合區域構造與岩漿活動歷史,探討了中-晚中新世以來青藏高原東南部的可能機制和動力學模型。在該模型中,活動斷裂帶的啟動時間(約為13–10 Ma)代表目前正在進行中的高原生長階段的起始時間;在動力學機制上,中-晚中新世印度-亞洲大陸彙聚方向的轉變、印度俯衝板塊後撤以及由此導致的區域應力調整,可能觸發並主導了13–10 Ma以來青藏高原東南部的側向擴展和局部隆升,相關的地幔尺度動力學過程對高原生長起到了重要作用。

上述研究結果首次建立了深源氣體釋放與高原生長動力學過程之間的內在聯系,證實了深源氣體同位素組成(特別是3He/4He比值)是約束高原生長動力學過程及其發生深度的有效地球化學定量名額,為構建高原生長動力學模型提供了新的研究視角和參考資料。該研究近期以題為Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau發表在Nature Communications上,受到中國地震科學實驗場項目(2019CSES0104)、中國科學院戰略性先導科技專項項目(XDB26000000)、科技部重點研發計畫項目(2020YFA0607700)、國家自然科學基金(41930642;41602341;41772355;41702361)等聯合資助。

文章資訊:

Maoliang Zhang,Zhengfu Guo,Sheng Xu,Peter H. Barry,Yuji Sano,Lihong Zhang,Sæmundur A. Halldórsson,Ai-Ti Chen,Zhihui Cheng,Cong-Qiang Liu,Si-Liang Li,Yun-Chao Lang,Guodong Zheng,Zhongping Li,Liwu Li,Ying Li,2021.Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau.Nature Communications 12,4157,DOI: 10.1038/s41467-021-24415-y

文章連結:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24415-y

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