2022, Vol. 43
2) 中国北京 100049 中国科学院大学
2) University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
喜马拉雅隆升是新生代重要的造山和气候变化事件之一。喜马拉雅山脉受印度板块与欧亚大陆板块碰撞的影响，是目前最活跃的碰撞造山带。欧亚板块与印度板块的碰撞最早发生于距今65—63 Ma的雅鲁藏布江缝合带（YTSZ）中部，随后印度板块沿主边界逆冲断层（MBT）继续向欧亚大陆俯冲。前人利用氢氧同位素发现喜马拉雅山在晚中新世达到现今海拔（Gébelin et al，2013；Saylor et al，2009）。Ding等（2017）利用古植物叶相来估计热焓值，对藏南地区柳曲及恰布林进行古高度重建，确定喜马拉雅山脉隆升历史。
喜马拉雅山脉的隆升过程及青藏高原的动力学机制目前仍存在较大分歧。Dewey等（1988）和Rowley等（2006）提出碰撞造成的多阶段隆升，印亚板块发生碰撞后导致地壳缩短；Li等（2015）发现，自55 Ma前以来，印度和欧亚大陆板块之间至少发生1 630 km的缩短。Molnar等（1993）认为，大洋岩石圈板块断裂导致软流圈物质上涌，引起地表的快速抬升，Wang等（2018）也提出，板块拆离引发岩石圈—软流圈的相互作用。Jolivet等（2018）利用近50 Ma的构造运动学记录和地震层析成像模型，解释了喜马拉雅山脉及青藏高原的抬升受到特提斯洋的闭合导致软流圈地幔向北挤出的影响。
2 研究内容和方法基于Stag3D模型（Tackley et al，2003）和有限差分方法（FDM），本文采用板块俯冲动力学模型计算喜马拉雅山脉隆升机制，研究模拟了板块增厚作用、俯冲板块拆离反弹、岩石圈流动和地表侵蚀等控制因素对隆升高度的影响。遵循不可压缩物质质量守恒定律、斯托克斯方程和动力学能量守恒定律等（Yoshioka et al，2007；Gerya，2011）以及黏塑性流变学性质本构关系和粘滞系数（Ranalli，1995），研究构建三维数值模型（Ji et al，2016）。
本研究利用Slab2.0（Hayes et al，2018）所获得的最新俯冲板块三维几何数据对俯冲板块进行运动学模拟，模型尺寸为1 800 km×1 600 km×300 km。根据Yoshii（1975）对俯冲板块岩石圈的厚度进行了计算，印度板块岩石圈的厚度大于40 km。温度边界条件符合板块冷却模型（Grose et al，2013），板块的底部和垂直面规定为绝热和可渗透性，顶面设置为固定温度（0 ℃）和Maxwell弹性体。
3 研究结果 3.1 喜马拉雅造山带隆升三维动力学模型以往的动力学模型主要针对俯冲板块的相互作用以及物理性质的差异（刚性、密度、宽度和长度等）对喜马拉雅造山带的隆升过程进行研究。为了对地表高程变化进行高分辨率模拟，本研究利用地震层析成像数据，构建喜马拉雅造山带随时间变化的三维动力学模型。喜马拉雅造山带的隆升机制是一个复杂过程，印度板块的俯冲作用在喜马拉雅造山带的抬升过程中作为主要控制因素。喜马拉雅造山带的隆升过程可分为3个阶段（图 1）：第一阶段（距今42—23 Ma），喜马拉雅山脉（约1 km）从古新世晚期缓慢隆升，在中新世早期达到2.5 km；第二阶段（距今23—11 Ma），喜马拉雅山脉的海拔高度从2.5 km发生显著隆升，最终达到约5km，其中始新世晚期至中新世的快速而稳定的隆升机制是喜马拉雅山脉成为地球上目前最高山脉体系的重要原因；第三阶段（距今11—0 Ma），喜马拉雅山脉最终达到现今海拔高度，约6 km。结合喜马拉雅前陆盆地与喜马拉雅—西藏地区降雨模式的比较，喜马拉雅造山带在过去56 Ma内导致藏南地区逐渐干燥，距今11—0 Ma期间季风作用增强。本研究考虑季风侵蚀作用对造山带隆升的影响，并规定了不同阶段的侵蚀速率。
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图 1 喜马拉雅造山带二维构造演化示意图 Fig.1 Schematic illustration of the 2-D tectonic evolution of the Himalayan orogeny corresponding to the four evolutionary stages of the Himalayas |
本模型对始新世至今喜马拉雅造山带隆升全过程进行了计算。喜马拉雅山脉隆升早期（距今60—42 Ma），地壳增厚作用是决定抬升速率的主要因素。在渐新世（距今42—23 Ma），俯冲的印度板块拆离以及导致的板块反弹作用促进了喜马拉雅山脉的明显隆起。中新世（距今23—11 Ma）软流圈地幔上涌是喜马拉雅山脉快速隆升的另一个主要驱动力。Boos等（2010）提出，喜马拉雅山脉的隆升强烈影响着亚洲季风的演化，地幔对流和气候侵蚀的变化可以调节地壳运动速度（Iaffaldano et al，2011），并影响造山带的隆升机制[图 1(d)]。季风造成的侵蚀增强抵消了喜马拉雅山脉的进一步抬升，11 Ma前至今喜马拉雅隆升速度减缓，最终形成现今喜马拉雅山脉高度。
4 结束语喜马拉雅造山带隆升机制的研究为青藏高原隆升动力学研究提供了重要的限制。本研究构建了喜马拉雅造山脉隆升机制的三维动力学模型，揭示了印度板块拆离侧向挤出、板块断裂后动态反弹、喜马拉雅隆升与季风效应的重要时间关系。根据地质学证据，本文在不同隆升阶段对不同构造模型进行测试以量化喜马拉雅山脉的隆升历史和机制，为基于三维俯冲建模的喜马拉雅隆升提供参考。
感谢P. Tackley分享Stag3D代码，感谢绘图软件GMT和Kitware公司开发的Paraview软件，感谢中国科学院青藏高原研究所超算中心的大力支持。
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Hayes G P, Moore G L, Portner D E, et al. Slab2, a comprehensive subduction zone geometry model[J]. Science, 2018, 362(6 410): 58-61. |
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