2024-11-07 | 科研部 Nature | 南科大胡佳顺团队揭示印度-欧亚大陆加速汇聚机制与碰撞时限

近日，南方科技大学地球与空间科学系副教授胡佳顺课题组在Nature发表题为“India-Eurasia convergence speed-up by passive-margin sediment subduction”的研究论文。该项研究结合岩石地球化学分析和地球动力学数值模拟方法，探讨了被动陆缘沉积物俯冲对白垩世晚期印度-欧亚大陆之间加速汇聚和上覆板块应变过程的作用，并将印度-欧亚大陆初始碰撞时间限定为约60 Ma。

中生代晚期至新生代早期（~65 Ma），印度-欧亚大陆之间的汇聚速度从~8厘米/年骤变至~18厘米/年，这种板块汇聚速率的急剧变化被称为板块重组事件，属于板块构造理论尚未阐明的特殊构造事件（图1c）。与之伴随的是近几十年来关于印度-欧亚大陆汇聚过程与碰撞时限的巨大争议，这严重阻碍了我们对显生宙以来地球上发生的最重要造山事件（即青藏高原-喜马拉雅造山事件）及亚洲气候环境演变的认识。

图1（a）喜马拉雅-青藏高原构造简图及冈底斯岩浆带的分布范围；（b）锶-钕同位素两端元（亏损地幔和印度大陆北缘沉积物组分）混合模拟的计算结果展示了不同时期俯冲沉积物熔体在地幔源区中的相对比例；（c）印度-欧亚大陆汇聚的不同阶段，岩浆岩锶同位素与印度-欧亚大陆汇聚速率的对应关系

目前对于印度-欧亚板块加速汇聚的驱动机制主要有两种假说，即“留尼旺”地幔柱的推动作用及新特提斯洋内部双俯冲带的驱动作用。这些机制虽然能够在一定程度上解释印度-欧亚大陆的加速汇聚，但它们能造成的加速幅度存在争议，关键地质证据仍然不足。以往研究大多将目光集中在洋-陆俯冲带之外的远端效应上，但近年来众多研究表明俯冲通道（或称俯冲界面）的流变性质同样是影响板块俯冲动力学过程的重要因素之一。俯冲通道通常由俯冲洋壳及上覆沉积物组成，它们不仅参与了俯冲带的物质循环过程，同时在地球动力学过程中扮演了十分重要的角色。相比基性火成岩洋壳而言，俯冲沉积物具有更高的孔隙压力、更弱的流变性质，能够有效地降低俯冲板片和上覆板块之间的耦合强度，起到一定的“润滑”作用，可能加速了俯冲板片和上覆板块之间的汇聚速率。因此从印度-欧亚大陆的加速汇聚过程着手，查明俯冲沉积物对俯冲带动力学系统的影响，有助于我们更好地理解地球板块构造的演化历史。然而单一的地球物理方法只能观测到现今海沟位置未进入俯冲通道中的沉积物，难以对进入古俯冲带的沉积物体量进行有效地约束，这限制了我们对地球系统各个圈层之间的物质能量交换以及动力学过程的深入理解。

基于上述问题，南方科技大学胡佳顺课题组与南洋理工大学助理教授Luca Dal Zilio，北京大学教授唐铭，南京大学教授胡修棉合作，另辟蹊径地利用印度-欧亚大陆汇聚过程中形成的岩浆岩组分约束不同时期地幔源区中俯冲沉积物体量的相对变化。研究团队首先系统地收集了洋-陆俯冲过程中产出的弧岩浆岩地球化学数据，筛选出能够反映地幔源区性质的样品。随后利用指示俯冲沉积物印记的微量元素和同位素指标，厘定了不同时期地幔源区中的交代介质性质及相对比例（图1b，图2）。结果表明，印度-欧亚大陆加速汇聚时期地幔源区中俯冲沉积物的相对比例明显提高。结合锶-钕同位素两端元混合模型结果来看，该时期地幔源区中俯冲沉积物的比例高达0.8-1.0 %，且以陆源沉积物为主；而在加速汇聚之前，以洋壳流体对地幔源区的交代为主要特征，俯冲沉积物的相对比例仅为0.3-0.5 %（图1b）。岩浆岩富集的同位素特征还表明，加速汇聚时期进入俯冲通道中的沉积物与古老、同位素富集的印度大陆北缘地壳具有亲缘性，而非年轻、同位素亏损的冈底斯造山带地壳风化剥蚀的产物。结合（1）现今连接被动陆缘的洋壳之上普遍发育巨厚且宽阔沉积物盖层的观测结果；（2）地幔源区主要交代介质由洋壳流体向陆源沉积物熔体转变的地球化学信号；（3）靠近印度大陆北缘的大洋板片相比已经俯冲到欧亚大陆之下的大洋板片要冷且厚（导致俯冲沉积物部分熔融程度降低），研究团队认为~65 Ma时期岩浆岩中俯冲沉积物熔体信号的增强可以很自然地被解释为巨厚被动陆缘沉积物的加入，而非单一的俯冲速度加快。后者会导致地幔楔角流的增强和饱满地幔橄榄岩的加快补充，并不一定会显著影响弧岩浆中沉积物熔体的比例。上述事实指示，该时期被动大陆边缘巨厚沉积物的俯冲可能是导致汇聚速率提高的重要因素。

图2 印度-欧亚大陆汇聚过程的不同时期地幔源区收到不同性质交代介质的影响，（a-b）表明印度-欧亚大陆加速汇聚时期地幔源区的交代介质以俯冲沉积物熔体为主，其他时期则以洋壳流体的交代作用为主；（c-d）表明加速汇聚阶段的俯冲沉积物以陆缘沉积物组分为主

在此基础上，研究团队利用高分辨率二维数值模型定量地验证印度-欧亚俯冲汇聚背景下，俯冲沉积物的厚度变化对俯冲速度和上覆板块应力状态的影响，并在合理范围内改变沉积物的粘滞性、孔隙压力等参数，以测试所得出结论是否具有一致性。测试结果很好地拟合了板块运动速度和上覆板块的应变观测历史。俯冲沉积物的加入在俯冲通道中起到了一定的“润滑”作用，降低了俯冲板片与上覆板块之间的有效摩擦系数及粘性。因此，在板块汇聚过程中，沉积物组分的加入不仅能够在一定程度上加快俯冲板片的速度，同时还为俯冲板片与上覆板块之间的解耦提供了有利条件，使上覆板块内部处于伸展构造背景之下，这与地球化学指标推测的同时期地壳厚度减薄相对应（图1c）。

图3 印度-欧亚大陆汇聚模式，（a）大印度模型；（b）大印度洋盆模型。沉积物在约65 Ma时进入地幔源区，初始碰撞发生在约60 Ma。

该项研究表明，在~65 Ma时印度大陆被动陆缘沉积物已开始俯冲进入地幔源区。考虑到大洋板块上被动陆缘沉积物覆盖宽度普遍在~1000 km左右，印度-欧亚大陆的初始碰撞时间被约束为在~60 Ma左右（图3）。这项研究与大印度模型一致，但并不否定双阶段碰撞的可能性。特提斯喜马拉雅可能曾与印度大陆分离形成大印度洋盆，但该洋盆在~65 Ma时已停止扩展，从而使应力从印度-欧亚俯冲带传导到印度大陆，驱动印度-欧亚大陆的加速汇聚。同时，研究团队认为上述加速汇聚过程可能是洋-陆俯冲向陆-陆碰撞阶段过渡的一个普遍特征。该项研究验证了，除远端效应之外，俯冲界面自身的性质对俯冲带动力学的影响也十分深远。俯冲沉积物作为俯冲界面的重要组成部分，有望成为联系板块构造、气候环境和生物演化等各个系统之间的重要纽带。

胡佳顺课题组高级研究学者周皓为论文第一作者，胡佳顺为论文通讯作者，论文合作者还包括南洋理工大学助理教授Luca Dal Zilio，北京大学教授唐铭，南京大学教授胡修棉以及胡佳顺课题组博士研究生李柯青。该研究得到了国家自然科学基金委特提斯地球动力系统重大研究计划、面上项目及科技部重点研发计划青年科学家项目的资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08069-6

供稿：地球与空间科学系

通讯员：龙晓怡

编辑：周易霖