印度-欧亚板块碰撞后，青藏高原东北部如何响应？

2.5亿年前，地球板块就像一块巨大的拼图，所有大陆拼贴在一起，科学家们称它为盘古超级大陆（图1）。此后，这个大陆逐渐裂解，自约1.5-1.3亿年前开始，印度大陆从南半球冈瓦纳超级大陆（盘古超级大陆的南半球部分）快速裂离，在恐龙大灭绝之后，和北半球的欧亚大陆开始发生持续挤压碰撞（图2），青藏高原逐渐隆升并发生变形。在这个过程中，作为青藏高原生长的最年轻部位-高原东北部地区又是如何响应这个持续碰撞过程的呢？

科学家们聚焦盆地内的沉积物——构造和古气候的“见证者”，利用其记录的磁组构，反映的古应力变化揭示远程响应过程。

图1 盘古超大陆复原图（图片源自网络）

图2 印度-欧亚大陆碰撞前夕，地表及岩石圈示意简图（图片来源：中科院青藏高原所丁林）

岩石体内的“小磁针”

自然界中，绝大部分岩石中都有磁性矿物。在岩石体内，生长着一根根“小磁针”（磁性矿物），可以感应地球磁场。这些磁性矿物颗粒形态各异，有的像鸡蛋，有的像筷子等。这种岩石内部磁性矿物分布排列方式被称为磁组构。磁组构受沉积时的古流向或者古风向及沉积后的古应力变化等影响，通过分析岩石的磁组构特征，可以恢复岩石形成时期沉积环境或构造环境变化等特征。

在岩石形成过程中，磁性矿物颗粒受环境影响导致排列方式不同。对于水成沉积物（图3a-b），如果是较深的湖泊静水环境，就像一把筷子被随意仍到地上，筷子凌乱分布，没有趋向性，岩石磁性矿物颗粒的长轴（磁线理）不发育；如果是缓慢流动的弱水流环境，磁性矿物颗粒的长轴往往平行于河水的流动方向排列；在强水流环境下，磁性矿物颗粒会发生滚动，导致其长轴垂直于水流方向。对于岩浆岩（图3c），磁性矿物颗粒的长轴顺着岩浆的流动方向排列，通过分析岩浆岩的磁组构，可以确定岩浆的流动方向，进而限定古火山口的位置。对于风成沉积物，比如黄土 (图3d)，其磁性矿物颗粒的长轴一般平行于风向。

此外，在青藏高原等构造活跃区，沉积岩固结成岩时/后，受较弱的构造变形，如水平方向挤压或伸展影响，磁性矿物颗粒的长轴会垂直于挤压方向或平行于拉伸方向排列。因此，对于沉积岩磁组构，其磁线理特征有可能是由沉积过程中的水流作用导致的，也可能是弱构造变形作用导致，二者特征比较相似，有时很难区分。但是，无论磁组构揭示的是古水流方向或古应力方向，其转变都应该跟该地区的构造活动密切相关。

图3（a，b）河流-湖泊相沉积地层，（c）岩浆岩，（d）风成沉积-黄土（图片a，b来自中科院青藏高原所，图c，d来自网络）

“小磁针”指示板块应力变化

在青海柴达木盆地与祁连南山之间（柴北缘），出露了厚约5000多米的记录了5千4百多万年以来区域构造和古气候环境变化的完整的河湖相沉积地层。中科院青藏高原所新生代环境团队颜茂都研究员等对柴北缘中部红柳沟地区的这些“构造和古气候的记录者”开展研究。在利用沉积岩中的“小磁针”捕捉5千4百万年来的磁组构变化时，他们发现了磁组构长轴方向在3千3百万年以前为近东-西向，到1千万年前后逐渐转变为北西-南东向，发生了近45度的顺时针旋转（图4）。

因为泥岩和粉砂岩等是反映弱水流沉积环境为主的细颗粒沉积岩，如果磁组构记录的是古水流方向，那么其长轴方向应该与实测古水流方向大致平行。但通过剖面底部和顶部存在的小石头（砾岩）的叠瓦状分布（就像农村屋顶的瓦片）实测古水流方向，早期古水流方向为南向，后期为南西向，其与磁组构长轴方向并不一致。而早期磁组构长轴方向与印度板块向欧亚板块俯冲和碰撞方向近乎垂直，进一步说明磁组构长轴方向反映的不是古水流方向，而与岩石在形成时/后不久的挤压应力有关。因此，柴北缘地区新生代挤压应力方向发生了近45度的顺时针旋转，由3千3百万年以前与印度板块向欧亚板块俯冲碰撞方向一致的近南-北向，逐渐转变为1千万年左右的北东-南西向（图4）。

图4 红柳沟剖面新生代磁偏角方向（绿点）、实测挤压应力方向（蓝点）和旋转变形校正后挤压应力方向（红点）变化特征（图片来源：中科院青藏高原所）

综合分析区域地质证据，科学家们推断，距今约3千3百万年至1千6百万年期间，青藏高原北部边界阿尔金断裂带响应印度-欧亚板块碰撞，可能以纯剪切变形为主；此后，变形转换为挤压走滑变形为主，期间不光导致了约220至280公里的滑移，还导致柴北缘地区发生顺时针旋转及挤压应力方向变化。该工作为这个控制高原东北部演化的阿尔金断裂带的走滑模式和发生时间及幅度提供了新的限定，为认识青藏高原隆升变形模式提供了新的证据。

该成果近日正式发表于构造地质学领域权威期刊《大地构造学》（Tectonics）。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1029/2019TC005989

来源：中国科学院青藏高原研究所

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