自 50 Ma以來印度與歐亞的陸-陸碰撞和持續(xù)匯聚，造就了世界最高峰——喜馬拉雅山脈和世界屋脊——青藏高原，這里是研究陸-陸碰撞絕佳的天然實(shí)驗(yàn)室。在陸-陸碰撞中，印度巖石圈在青藏高原下方是如何俯沖的一直存在爭議。目前兩種典型的模型有兩種：第一種是印度巖石圈地幔以平板俯沖方式直接底墊在青藏高原地殼之下（McKenzie et al., 2019）；第二種是印度巖石圈板片在歐亞陸-陸碰撞邊界向高原下方地幔中俯沖，角度由西向東變陡（Li et al., 2008）。這兩種模式的本質(zhì)區(qū)別是青藏高原地殼與俯沖的印度巖石圈地幔之間是否存在熱的軟流圈地幔（圖1）。
圖1 大陸碰撞的幾何模式圖和位置圖（Klemperer et al., 2022）。（A、B）定義“平板俯沖”、“俯沖”和“地幔縫合線”（印度巖石圈與（A）青藏巖石圈或（B）軟流圈的邊界）的卡通圖。藍(lán)色：地幔巖石圈（冷）；紅色：軟流圈（熱）；（C） 研究區(qū)域構(gòu)造簡圖。黃色條帶：圖4中的橫截面；紅色條帶：體波層析成像給出的地幔縫合線；綠色條帶：接收函數(shù)顯示的印度地殼前緣；藍(lán)色條帶：全波形成像給出的240 km厚印度巖石圈的北部邊界；細(xì)灰線：縫合線/主要斷裂帶：MFT（主前緣斷層）；STD（藏南拆離系）；YZS（雅魯藏布縫合線）；BNS（班公怒江縫合線）；JRS（金沙江縫合線）；主要走滑斷層ATF（阿爾金斷裂）、KF（昆侖斷裂）和KKF（喀拉昆侖斷裂）。粗黑線為活動裂谷：YR（亞熱裂谷）；TG（塔口拉裂谷）；LG（隆格爾裂谷）；TY（當(dāng)惹雍錯裂谷）；PX（朋曲-申扎裂谷）；YG（亞東-谷露裂谷）；CS（錯那裂谷）
Klemperer et al. （2022）通過多年的努力，測量了青藏高原上225個溫泉的3He/4He，使用該比值分析了青藏高原下方是否存在熱地幔楔，由此限定了印度歐亞板塊之間的地?？p合線的位置，進(jìn)而揭示了印歐陸-陸碰撞的深部過程，研究成果于2022年3月發(fā)表在PNAS上。
3He/4He比值分析方法基于地殼流體中存在不同成分的惰性氣體，通過測量不同惰性氣體在地殼流體的含量，解析流體的來源和運(yùn)移過程。4He是由地殼中U、Th等放射性元素衰變產(chǎn)生的；而3He來自地幔，主要通過地幔熔融或交代流體流動釋放，并通過斷層、地殼流擴(kuò)散以及巖漿侵入等方式運(yùn)移到地表，主要發(fā)生在大陸伸展或巖漿活動區(qū)域內(nèi)（Ballentine et al., 2002）。印度巖石圈是古老而冷的克拉通，4He豐度較高，但3He無法釋放至地表。而位于印度俯沖板片上方的地幔楔和青藏高原Sn不發(fā)育區(qū)的上地幔都是熱的，并且容易發(fā)生交代作用，因此這些區(qū)域的熱泉中富集3He。
Klemperer et al. （2022）對測量的3He/4He進(jìn)行統(tǒng)計分析，RA表示空氣中的3He/4He，R表示溫泉樣本中的3He/4He，RC表示對R進(jìn)行大氣貢獻(xiàn)校正。標(biāo)定古老而寒冷的印度巖石圈RC/RA< 0.06（“”/“地殼”樣本），初始熔融且含CO2和H2O的熱青藏高原地幔RC/RA> 0.1（“地幔”樣本），地?？p合線在地表的位置則為兩者之間的過渡（圖2）。結(jié)果給出了亞歐板塊之間地?？p合線位置（圖3）。該邊界與YZS近乎平行，東西跨越青藏高原1000多公里，邊界以南分布中源地震（65-100 km）、上地幔頂部地震波速度高，以北分布第四紀(jì)火山，上地幔頂部地震波速度低（圖3），地幔熔融或有流體流動。
圖2 青藏高原塊體同位素數(shù)據(jù)（Klemperer et al., 2022）?？v軸為R/RA，橫軸為（He/Ne）sample/（ He/Ne）ASW, Field T。（He/Ne）sample/（ He/Ne）ASW, Field T=10豎線分隔本研究中的高質(zhì)量數(shù)據(jù)（圓圈）和不確定數(shù)據(jù)（六邊形）；三角形表示其他作者的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。采樣位置：塔里木、柴達(dá)木盆地（藍(lán)色）；羌塘塊體（橙色）；拉薩塊體（白色）；特提斯喜馬拉雅（灰色）；大、小、亞喜馬拉雅（黑色）。十字表示水樣?！啊?、“中間”，“地?！睒?biāo)定分別對應(yīng)0.5%和1%的地幔含量。紅色、黃色、藍(lán)色箭頭和字母，以及綠色字母與圖三中樣本的顏色對應(yīng)
圖3 “地?！睒颖竞汀啊睒颖痉植紙D（Klemperer et al., 2022）。（A）3He/4He比值（RC/RA）分布。白色細(xì)實(shí)線：首選的10 km寬的氦邊界；白色透明虛線：氦邊界的兩種可能；白色小方塊：莫霍面錯斷和上地幔速度突變的位置（連接方塊的線）；黑線：裂谷；藍(lán)色/綠色/紅色地球物理邊界如圖1C所示；（B） RC/RA是距離首選氦邊界距離的函數(shù)（使用A中的北側(cè)氦邊界虛線，并根據(jù)地體親和度進(jìn)行顏色編碼，如圖1C和圖2所示：藍(lán)色（印度“”樣本）；黃色（“地?！睒颖荆?；綠色（過渡樣本））；（C）測量的[3He]和[4He]的豐度如主地圖中的彩色編碼，顯示出明顯的雙峰性。（D） 地震體波層析成像結(jié)果在100 km深度的P波速度擾動。（E）伴隨層析成像（全波形擬合）結(jié)果在80 km深度的S波速度擾動
與青藏高原區(qū)域的多種地球物理研究成果進(jìn)行對比分析，Klemperer et al. （2022）對地?？p合線的研究在一定程度上解決了地球物理研究結(jié)果中的部分爭議，地?？p合線為研究印度板片的俯沖撕裂提供了新證據(jù)。在青藏高原南部分布有多條近南北走向的裂谷，裂谷的形成與印度板片撕裂、軟流圈上涌有著密切的關(guān)系（Chen et al., 2015; Liu et al., 2020）。地幔縫合線在裂谷處發(fā)生分段，裂谷中富集的“地?！睒颖九c裂谷下方的莫霍偏移以及板片撕裂一致，意味著印度巖石圈在俯沖同時存在板片撕裂（圖3）。比較特殊的是在CS裂谷，地幔縫合線相比地表縫合線YZS向南還偏離了 100 km，說明印度巖石圈地幔從地殼拆離（Shi et al., 2015）。
地幔縫合線只在局部（85 E附近）與印度地殼前緣重合，而在高原西部80 E以西地?？p合線向北西側(cè)延伸至阿爾金斷裂，標(biāo)志印度巖石圈俯沖的北部邊界。而在85 E以東，地?？p合線與印度地殼前緣逐漸分離，在92 E至93 E向南撤退了 200 km至300 km（圖3），標(biāo)志印度俯沖板片在地?？p合線處從印度地殼剝離并向深部俯沖，從西至東俯沖角度越來越陡。結(jié)合體波走時速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果（Li et al., 2008）、全波形擬合成像結(jié)果（Chen et al., 2017）與剪切波傳播特征（Barron and Priestley, 2009）等，Klemperer et al. （2022）認(rèn)為青藏高原下方巖石圈地幔雖然已經(jīng)被印度巖石圈地幔所取代，但青藏地殼和印度巖石圈地幔之間仍存在一層薄的、熱的軟流圈地幔（圖4）。
Klemperer et al. （2022）對印歐板塊之間的地?？p合線的定位，否定了印度巖石圈直接底墊在青藏高原地殼下方的平板俯沖模式，給出了印度冷的巖石圈地幔與熱的或流動的軟流圈地幔在高原下方疊置的模式（圖4），同時有利于直接的研究大陸俯沖板片撕裂。這種陸-陸碰撞模式與現(xiàn)代納斯卡海脊的平板俯沖有一定的幾何相似性（Antonijevic et al., 2015）。
圖4 青藏高原橫縱等比例的橫截面（沿圖1C中的黃色條帶）（Klemperer et al., 2022）。所有實(shí)灰線都來自已發(fā)表的地球物理結(jié)果。地幔縫合線位于在地殼氦和地幔氦樣本之間的邊界正下方。黑色箭頭顯示印度地殼（綠色）和巖石圈（藍(lán)色）相對于亞洲板塊（灰色）的相對運(yùn)動。俯沖板塊的傾角不受氦同位素比值研究的限制，可能沿走向變化，如圖所示，根據(jù)地震衰減和層析成像研究，傾角為5 至30 。印度下地殼的前緣位置與地?？p合線的位置沿東西向變化，由東向西，分別在地幔縫合線的北部、與地?？p合線重合、或可能在其南側(cè)。MHT：主喜馬拉雅逆沖斷層
主要參考文獻(xiàn)（上下滑動查看）
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.
Barron J, Priestley K. Observations of frequency-dependent S n propagation in Northern Tibet[J]. Geophysical Journal International, 2009, 179(1): 475-488.
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/巖石圈室
美編：陳菲菲
