NC：地幔风通过克拉通根部驱动新生代印度-亚洲板块碰撞

Abstract 摘 要

板块运动的驱动力一直是地球动力学研究的重要课题。Li等最新发表在Nature Communications上的研究通过全球地球动力学模型揭示，印度板块持续北向运动主要由地幔拖拽力驱动（图1）。该研究首次定量证明印度板块的地幔拖拽力超过青藏高原重力势能产生的阻力，为理解印度板块碰撞的动力过程提供了关键依据。这一发现不仅解释了印度板块在失去俯冲板片拉力后仍能持续北向运动的机制, 也为理解青藏高原形成过程提供了新视角。研究表明，这一地幔拖拽力源于新特提斯俯冲板片在中地幔的南向翻转以及东亚地区的俯冲板片堆积，形成了以青藏高原为中心的半球尺度地幔物质汇聚流场。

图1 新生代印度板块运动模式。(a-c) 印度及附近板块于0,40与50Ma下的位置与形态，以及大洋年龄。（d）印度板块运动速度在新生代的变化

印度与亚洲板块的碰撞及其持续的北向汇聚运动是显生宙最重要的板块构造事件之一(Molnar and Tapponnier, 1975)。这一过程不仅导致了新特提斯洋的闭合、印度洋的形成，还造就了地球上最壮观的地形特征之一——青藏高原。然而，在洋壳俯冲结束后，到底是什么力量持续驱动印度板块向北运动一直是一个悬而未决的科学问题。传统观点认为板块运动主要由俯冲板片拉力驱动（Forsyth and Uyeda, 1975），但这种机制难以解释印度板块的持续运动：由于缺少连续的大洋俯冲板片，板片拉力在印度大陆碰撞欧亚大陆（约五千万年前）后基本消失；而洋脊推力，另一种较为明确的驱动力，则太小（约3×10¹² N m⁻¹），不足以克服青藏高原产生的巨大阻力（3~8×10¹² N m⁻¹；Ghosh et al., 2006; Molnar et al., 1993)。

为了解决这一难题，研究人员提出了多种假说。有学者认为可能是陆壳俯冲产生的替代性板片拉力在起作用（如Capitanio et al., 2010），但这与地震层析成像观测到的印度岩石圈浅角度俯冲特征不符。也有人提出周边板块的远场俯冲作用，比如苏门答腊与爪哇的俯冲板片，可能通过板块内部传递板片拉力至印度板块（如Copley et al., 2010）。然而，由于印度板块与南边的Capricorn板块以及澳大利亚板块的运动方向基本平行，这种动力传递机制难以实现。最具可能性的解释是来自流动地幔对岩石圈底部的拖拽作用，比如Becker and Faccenna（2012）的地幔传送带假说，但这一观点此前缺乏定量的分析支撑。

通过建立全球尺度的数据同化地球动力学数值模型，Li et al. （2024）首次对新生代印度板块运动的地幔拖拽力进行了系统性的定量研究。他们的模型不仅能够重现观测到的板块运动历史，还成功模拟了岩石圈-软流圈耦合过程中应力的分布特征。特别是，模型揭示了地幔拖拽力主要集中在印度克拉通根部的西南边缘（图2），这一发现为理解板块运动提供了新的视角。

研究将地幔拖拽力包含两个关键组分进行量化：摩擦拖拽力和压力拖拽力。由岩石圈底部剪切应力产生的摩擦拖拽力虽然遍布整个板块，但在岩石圈厚度阶梯处表现出明显的集中效应（图2a）。相比之下，压力拖拽力则仅局限于岩石圈厚度阶梯处（图2b）。这两种力的总和达到了1013 N m-1, 与传统计算中的板片拉力量级相当，且大于维持青藏高原重力势能所需的力。与传统认知不同的是，尽管软流圈黏度比岩石圈低几个数量级，由于最大剪切应力出现在相对坚硬的岩石圈根部，对流地幔仍可以对板块运动施加足够大的驱动力。在一个完全自由演化的动力学模型中，驱动力完全取决于地幔中的浮力差异，因此力的作用与地幔的质量异常相守恒。但是在传统给定边界速度的动力学模型中，力则会受到软流圈黏度的影响，从而导致不一样的认识。除此之外，基于模型分析给出的应力分布，克拉通根部在板块运动中扮演着比预期更重要的角色。

图2(a) 印度板块地幔摩擦拖拽力的分布，机制与大小；（b）压力拖拽力以及北部边界阻力的分布，机制与大小；（c）三种力，青藏高原重力势能估计，以及板块运动在新生代的演化过程

更为重要的是，研究揭示了驱动印度板块运动的地幔流动模式是一个贯穿东半球的大尺度对流单元的一部分。该对流单元由三支地幔分流组成，其表现为上地幔的水平汇聚流（作者称之为地幔风：其为水平向的流动，并由压力差驱动，正如大气中的风）（图3）。该半球汇聚地幔风主要受控于东亚地区俯冲板片的堆积。而参与驱动印度板块北向运动的这支风流则被南向翻转的新特提斯洋板块进一步影响，使其在印度板块下方形成集中的低压带，形成了驱动青藏高原形成的“强风”（图4）。这种独特的地幔流动模式不仅解释了印度板块的持续北向运动，也为理解整个欧亚大陆周缘的构造演化提供了新的思路。

图3半球尺度汇聚流三维示意图。渲染的红-蓝体积为俯冲板片，颜色代表其现今所在的深度。标注为三股汇聚流与主要的俯冲板片

图4现今印度板块南北动压剖面。红色三角为现今印度-欧亚碰撞边界，紫色为重力驱动力，黄色为地幔风方向，黑色标注为新特提斯板块与东亚深部堆积的伊邪那岐-太平洋板块位置。左下标明了剖面的地表投影

这项研究的重要性不仅在于首次定量证实了地幔拖拽力在印度与欧亚大陆碰撞中的主导作用，更在于揭示了深部多尺度地幔动力学过程与浅部板块运动之间的内在联系。这一发现表明，理解板块构造运动需要将岩石圈与整个地幔对流系统作为一个整体来考虑。这对于研究其他类似的板块碰撞过程，以及理解超大陆形成和裂解等全球尺度的地质过程具有重要的启示意义。

展望未来，这一研究成果为深入理解板块运动的驱动机制开辟了新途径。首先，研究表明在研究板块运动时，需要考虑岩石圈厚度变化对板块-地幔耦合的影响。其次，研究发现地幔对流格局的复杂性远超过往认知，这提示我们需要重新审视地幔对流对全球构造演化的控制作用。此外，该研究采用的全球地球动力学模型为研究其他地区的构造驱动力提供了新的研究范式。随着高性能计算技术的发展和地球物理观测精度的提高，未来的研究有望在为地幔流动与构造运动的相互作用机制提供更多全新的视角。

主要参考文献

Becker T W, Faccenna C. Mantle conveyor beneath the Tethyan collisional belt[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 310(3-4): 453-461.

Capitanio F A, Morra G, Goes S, et al. India–Asia convergence driven by the subduction of the Greater Indian continent[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(2): 136-139.

Copley A, Avouac J P, Royer J Y. India‐Asia collision and the Cenozoic slowdown of the Indian plate: Implications for the forces driving plate motions[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2010, 115(B3).

Forsyth D, Uyeda S. On the relative importance of the driving forces of plate motion[J]. Geophysical Journal International, 1975, 43(1): 163-200.

Ghosh A, Holt W E, Flesch L M, et al. Gravitational potential energy of the Tibetan Plateau and the forces driving the Indian plate[J]. Geology, 2006, 34(5): 321-324.

Li Y, Liu L, Li S, et al. Cenozoic India-Asia collision driven by mantle dragging the cratonic root[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 6674.（原文）

Molnar P, England P, Martinod J. Mantle dynamics, uplift of the Tibetan Plateau, and the Indian monsoon[J]. Reviews of Geophysics, 1993, 31(4): 357-396.

Molnar P, Tapponnier P. Cenozoic Tectonics of Asia: Effects of a Continental Collision: Features of recent continental tectonics in Asia can be interpreted as results of the India-Eurasia collision[J]. Science, 1975, 189(4201): 419-426.

（撰稿：刘丽军研究团队/岩石圈演化学科中心）

美编 | 陈永焱

校对 | 刘强