PNAS3He4He研究揭示印度板块在青藏高原下方的俯冲模式

　　自 50 Ma以来印度与欧亚的陆-陆碰撞和持续汇聚，造就了世界最高峰——喜马拉雅山脉和世界屋脊——青藏高原，这里是研究陆-陆碰撞绝佳的天然实验室。在陆-陆碰撞中，印度岩石圈在青藏高原下方是如何俯冲的一直存在争议。目前两种典型的模型有两种：第一种是印度岩石圈地幔以平板俯冲方式直接底垫在青藏高原地壳之下（McKenzie et al., 2019）；第二种是印度岩石圈板片在欧亚陆-陆碰撞边界向高原下方地幔中俯冲，角度由西向东变陡（Li et al., 2008）。这两种模式的本质区别是青藏高原地壳与俯冲的印度岩石圈地幔之间是否存在热的软流圈地幔（图1）。
　　图1 大陆碰撞的几何模式图和位置图（Klemperer et al., 2022）。（A、B）定义＂平板俯冲＂、＂俯冲＂和＂地幔缝合线＂（印度岩石圈与（A）青藏岩石圈或（B）软流圈的边界）的卡通图。蓝色：地幔岩石圈（冷）；红色：软流圈（热）；（C） 研究区域构造简图。黄色条带：图4中的横截面；红色条带：体波层析成像给出的地幔缝合线；绿色条带：接收函数显示的印度地壳前缘；蓝色条带：全波形成像给出的240 km厚印度岩石圈的北部边界；细灰线：缝合线/主要断裂带：MFT（主前缘断层）；STD（藏南拆离系）；YZS（雅鲁藏布缝合线）；BNS（班公怒江缝合线）；JRS（金沙江缝合线）；主要走滑断层ATF（阿尔金断裂）、KF（昆仑断裂）和KKF（喀拉昆仑断裂）。粗黑线为活动裂谷：YR（亚热裂谷）；TG（塔口拉裂谷）；LG（隆格尔裂谷）；TY（当惹雍错裂谷）；PX（朋曲-申扎裂谷）；YG（亚东-谷露裂谷）；CS（错那裂谷）
　　Klemperer et al. （2022）通过多年的努力，测量了青藏高原上225个温泉的3He/4He，使用该比值分析了青藏高原下方是否存在热地幔楔，由此限定了印度欧亚板块之间的地幔缝合线的位置，进而揭示了印欧陆-陆碰撞的深部过程，研究成果于2022年3月发表在PNAS上。
　　3He/4He比值分析方法基于地壳流体中存在不同成分的惰性气体，通过测量不同惰性气体在地壳流体的含量，解析流体的来源和运移过程。4He是由地壳中U、Th等放射性元素衰变产生的；而3He来自地幔，主要通过地幔熔融或交代流体流动释放，并通过断层、地壳流扩散以及岩浆侵入等方式运移到地表，主要发生在大陆伸展或岩浆活动区域内（Ballentine et al., 2002）。印度岩石圈是古老而冷的克拉通，4He丰度较高，但3He无法释放至地表。而位于印度俯冲板片上方的地幔楔和青藏高原Sn不发育区的上地幔都是热的，并且容易发生交代作用，因此这些区域的热泉中富集3He。
　　Klemperer et al. （2022）对测量的3He/4He进行统计分析，RA表示空气中的3He/4He，R表示温泉样本中的3He/4He，RC表示对R进行大气贡献校正。标定古老而寒冷的印度岩石圈RC/RA< 0.06（＂＂/＂地壳＂样本），初始熔融且含CO2和H2O的热青藏高原地幔RC/RA> 0.1（＂地幔＂样本），地幔缝合线在地表的位置则为两者之间的过渡（图2）。结果给出了亚欧板块之间地幔缝合线位置（图3）。该边界与YZS近乎平行，东西跨越青藏高原1000多公里，边界以南分布中源地震（65-100 km）、上地幔顶部地震波速度高，以北分布第四纪火山，上地幔顶部地震波速度低（图3），地幔熔融或有流体流动。
　　图2 青藏高原块体同位素数据（Klemperer et al., 2022）。纵轴为R/RA，横轴为（He/Ne）sample/（ He/Ne）ASW, Field T。（He/Ne）sample/（ He/Ne）ASW, Field T=10竖线分隔本研究中的高质量数据（圆圈）和不确定数据（六边形）；三角形表示其他作者的高质量数据。采样位置：塔里木、柴达木盆地（蓝色）；羌塘块体（橙色）；拉萨块体（白色）；特提斯喜马拉雅（灰色）；大、小、亚喜马拉雅（黑色）。十字表示水样。＂＂、＂中间＂，＂地幔＂标定分别对应0.5%和1%的地幔含量。红色、黄色、蓝色箭头和字母，以及绿色字母与图三中样本的颜色对应
　　图3 ＂地幔＂样本和＂＂样本分布图（Klemperer et al., 2022）。（A）3He/4He比值（RC/RA）分布。白色细实线：首选的10 km宽的氦边界；白色透明虚线：氦边界的两种可能；白色小方块：莫霍面错断和上地幔速度突变的位置（连接方块的线）；黑线：裂谷；蓝色/绿色/红色地球物理边界如图1C所示；（B） RC/RA是距离首选氦边界距离的函数（使用A中的北侧氦边界虚线，并根据地体亲和度进行颜色编码，如图1C和图2所示：蓝色（印度＂＂样本）；黄色（＂地幔＂样本）；绿色（过渡样本））；（C）测量的[3He]和[4He]的丰度如主地图中的彩色编码，显示出明显的双峰性。（D） 地震体波层析成像结果在100 km深度的P波速度扰动。（E）伴随层析成像（全波形拟合）结果在80 km深度的S波速度扰动
　　与青藏高原区域的多种地球物理研究成果进行对比分析，Klemperer et al. （2022）对地幔缝合线的研究在一定程度上解决了地球物理研究结果中的部分争议，地幔缝合线为研究印度板片的俯冲撕裂提供了新证据。在青藏高原南部分布有多条近南北走向的裂谷，裂谷的形成与印度板片撕裂、软流圈上涌有着密切的关系（Chen et al., 2015; Liu et al., 2020）。地幔缝合线在裂谷处发生分段，裂谷中富集的＂地幔＂样本与裂谷下方的莫霍偏移以及板片撕裂一致，意味着印度岩石圈在俯冲同时存在板片撕裂（图3）。比较特殊的是在CS裂谷，地幔缝合线相比地表缝合线YZS向南还偏离了 100 km，说明印度岩石圈地幔从地壳拆离（Shi et al., 2015）。
　　地幔缝合线只在局部（85 E附近）与印度地壳前缘重合，而在高原西部80 E以西地幔缝合线向北西侧延伸至阿尔金断裂，标志印度岩石圈俯冲的北部边界。而在85 E以东，地幔缝合线与印度地壳前缘逐渐分离，在92 E至93 E向南撤退了 200 km至300 km（图3），标志印度俯冲板片在地幔缝合线处从印度地壳剥离并向深部俯冲，从西至东俯冲角度越来越陡。结合体波走时速度结构成像结果（Li et al., 2008）、全波形拟合成像结果（Chen et al., 2017）与剪切波传播特征（Barron and Priestley, 2009）等，Klemperer et al. （2022）认为青藏高原下方岩石圈地幔虽然已经被印度岩石圈地幔所取代，但青藏地壳和印度岩石圈地幔之间仍存在一层薄的、热的软流圈地幔（图4）。
　　Klemperer et al. （2022）对印欧板块之间的地幔缝合线的定位，否定了印度岩石圈直接底垫在青藏高原地壳下方的平板俯冲模式，给出了印度冷的岩石圈地幔与热的或流动的软流圈地幔在高原下方叠置的模式（图4），同时有利于直接的研究大陆俯冲板片撕裂。这种陆-陆碰撞模式与现代纳斯卡海脊的平板俯冲有一定的几何相似性（Antonijevic et al., 2015）。
　　图4 青藏高原横纵等比例的横截面（沿图1C中的黄色条带）（Klemperer et al., 2022）。所有实灰线都来自已发表的地球物理结果。地幔缝合线位于在地壳氦和地幔氦样本之间的边界正下方。黑色箭头显示印度地壳（绿色）和岩石圈（蓝色）相对于亚洲板块（灰色）的相对运动。俯冲板块的倾角不受氦同位素比值研究的限制，可能沿走向变化，如图所示，根据地震衰减和层析成像研究，倾角为5 至30 。印度下地壳的前缘位置与地幔缝合线的位置沿东西向变化，由东向西，分别在地幔缝合线的北部、与地幔缝合线重合、或可能在其南侧。MHT：主喜马拉雅逆冲断层
　　主要参考文献（上下滑动查看）
　　Antonijevic S K, Wagner L S, Kumar A, et al. The role of ridges in the formation and longevity of flat slabs[J]. Nature, 2015, 524(7564): 212-215.
　　Ballentine C J, Burgess R, Marty B. Tracing fluid origin, transport and interaction in the crust[J]. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2002, 47.
　　Barron J, Priestley K. Observations of frequency-dependent S n propagation in Northern Tibet[J]. Geophysical Journal International, 2009, 179(1): 475-488.
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　　Chen M, Niu F, Tromp J, et al. Lithospheric foundering and underthrusting imaged beneath Tibet[J]. Nature Communications, 2017, 8(1): 15659..
　　Chen Y, Li W, Yuan X, et al. Tearing of the Indian lithospheric slab beneath southern Tibet revealed by SKS-wave splitting measurements[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 413: 13-24.
　　Klemperer S L, Zhao P, Whyte C J, et al. Limited underthrusting of India below Tibet: 3He/4He analysis of thermal springs locates the mantle suture in continental collision[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119(12): e2113877119.
　　Li C, Van der Hilst R D, Meltzer A S, et al. Subduction of the Indian lithosphere beneath the Tibetan Plateau and Burma[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2008, 274(1-2): 157-168.
　　Liu Z, Tian X, Yuan X, et al. Complex structure of upper mantle beneath the Yadong-Gulu rift in Tibet revealed by S-to-P converted waves[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 531: 115954.
　　McKenzie D, Jackson J, Priestley K. Continental collisions and the origin of subcrustal continental earthquakes[J]. Canadian Journal of Earth Sciences, 2019, 56(11): 1101-1118.
　　Shi D, Wu Z, Klemperer S L, et al. Receiver function imaging of crustal suture, steep subduction, and mantle wedge in the eastern India–Tibet continental collision zone[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 414: 6-15.
　　撰稿：李聃聃，田小波/岩石圈室
　　美编：陈菲菲