喜马拉雅造山作用会停止吗？ | 科技前线

众所周知，喜马拉雅山脉和青藏高原是6000万年以来印度-欧亚板块汇聚碰撞形成的，直到现在，两大板块仍保持着每年4-5厘米的汇聚速率。

但这场造山运动有一天会停止吗？中国科学院地质与地球物理研究所的科学家对这个问题进行了回答。近日，相关研究成果发表于《科学通报》（Science Bulletin）。

造山的驱动力

说到造山，我们先来看看地球上的板块是如何互相作用的。

板块通常指地球岩石圈比较刚性不容易变形的部分，厚度通常在几十千米到一百多千米范围内。地球岩石圈由地壳和地幔最上部分组成，分为大陆岩石圈和大洋岩石圈。

现有研究表明，大洋岩石圈在板块边界可以俯冲进入地幔深处。因为它比周围地幔的密度更高，重力可以克服软流圈的浮力，使其沉入地幔最深处，造成地球深浅物质的循环。它克服浮力后剩余的重力作用被称为板块拖拽力，是板块运动的主要驱动力。

▲经典观点的大洋岩石圈俯冲过程（修改自Tarbuck, 2016）

经典地质学观点认为，不同于大洋岩石圈，大陆岩石圈由于密度较低很难发生俯冲；即使它被已俯冲的大洋岩石圈拉入地幔，也会因为密度低从而阻止板块进一步发生俯冲。

当两个板块之间发生汇聚运动时，大洋岩石圈被持续推拉进入地幔深部，两个板块之间原本存在的大洋会逐渐消失，直至大陆岩石圈开始碰撞，导致大陆岩石圈强烈变形，并发生显著的岩浆活动和地壳增厚，这就是人们常说的造山作用。

因为大陆岩石圈无法俯冲，已进入地幔深部的大洋岩石圈受到重力作用会与原先连接着的大陆岩石圈断离，这样就一下清空了板块拖拽力。这种机制很好地解释了陆陆碰撞是如何停止的。

▲经典观点的陆陆碰撞-大洋岩石圈断离过程（修改自Tarbuck, 2016）

喜马拉雅山脉：
大陆深俯冲的典型地区

新的矿物学证据和地球物理观测均表明，大陆岩石圈也能发生深俯冲（俯冲深度大于100千米甚至200千米）。

那么大陆俯冲会给板块汇聚带来什么样的驱动力？地质证据表明，大陆碰撞不会像大洋俯冲一样长期持续进行，那么大陆碰撞又将以何种方式结束？

印度和欧亚板块南缘的陆陆碰撞在大约6000万年前就已发生，俯冲进入地幔深部的大洋岩石圈也在大约4500万年前与大陆岩石圈发生断离，但是印度大陆和欧亚大陆之间的高速汇聚至今仍在继续。

喜马拉雅山脉作为印度和欧亚板块汇聚正在发生的地区，也是正在发生大陆深俯冲的典型地区，是解答上述科学问题最理想的地区。

终将停止的造山运动

为了找到印度和欧亚板块陆陆碰撞后仍然长期持续汇聚的原因，中国科学院地质与地球物理研究所等组成的国际研究团队，基于过去二十年国内外研究机构在青藏高原采集的流动地震台阵观测数据，采用先进的地震层析成像技术，获得了印度-欧亚碰撞带上地幔的波速精细结构。

▲地震层析成像获得的青藏高原深部结构图像。（a）显示了不同垂直剖面的速度异常分布，其中的虚线勾勒了可能的印度俯冲板形态。剖面位置显示在图b中。（b）显示了不同深度的速度异常分布。HV1-HV4为研究中重点讨论的4个地震波高速传播的异常区域。

结果显示，地幔过渡带内（410千米-660千米深度范围）存在多个分离的、地震波在其中可以快速传播的异常区域。

这些异常区域可以像拼图一样拼接起来，拼出来的形态与正在俯冲的印度板块前端形态非常贴合。这表明这些异常区域可能是俯冲断离的印度大陆岩石圈的残块。

▲印度板块北缘俯冲演化图。(a) 约4000万年前，印度板块北部向北俯冲。(b) 印度板块部分断离沉入地幔过渡带，显示为高速异常体HV2，而未断离的岩石圈则产生板块拖拽力并维系俯冲继续进行。 (c) 印度板块的另一部分HV1发生断离并沉入地幔过渡带。 (d) 现今上地幔印度板块的分布。

研究团队进一步重建了印度板块大陆北缘的初始形态，恢复得到俯冲的大陆岩石圈所产生的板块拖拽力，并定量计算了板块拖拽力的大小。

结果表明，俯冲的大陆岩石圈也可以提供相当大的板块拖拽力，而沿着印度板块内部薄弱带的多次断离会导致板块拖拽力减小，从而降低印度-欧亚板块的汇聚速率，且岩石圈断离时间与板块汇聚速率之间存在时间对应关系。

这意味着，随着俯冲的大陆岩石圈板块一块接着一块断离，板块拖拽力逐渐减小，印度和欧亚板块之间的汇聚将最终停止，导致两个大陆最终拼合直至稳定。到了那时，喜马拉雅造山作用也将最终停止。

来源：中国科学院地质与地球物理研究所

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