有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱的青藏高原為什么高低不同？它是如何形成的？中國科學院青藏高原研究所(中科院青藏高原所)丁林院士領(lǐng)銜的大陸碰撞與高原隆升團隊受國際專業(yè)學術(shù)期刊《自然綜述：地球與環(huán)境》主編邀請，近日以“青藏高原隆升時間和機制”為題發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)揭示青藏高原的差異性隆升過程和深部動力學機制。

　　研究團隊指出，大陸碰撞-俯沖等深部圈層作用驅(qū)動的青藏高原隆升是新生代全球最重要的地質(zhì)事件之一。高原隆升顯著影響了地表圈層—大氣圈、水圈/冰凍圈、生物圈和人類圈的耦合作用過程，深刻影響了亞洲氣候動力學、生物多樣性、碳循環(huán)、現(xiàn)代水資源分布和大江大河的演化，是21世紀地球系統(tǒng)科學研究的前沿陣地。

　　然而，在大陸碰撞過程中，青藏高原大陸巖石圈變形和地表高程時空變化的機制仍不清楚。近些年，隨著青藏高原定量古高度數(shù)據(jù)的加速產(chǎn)生，學界逐漸認識到高原具有差異性隆升的特征，部分地區(qū)的隆升時間比以前的推測或早或晚，已有的動力學模式均不能完整體現(xiàn)高原隆升過程。

　　白堊紀構(gòu)造事件和青藏高原山脈雛形

　　丁林院士強調(diào)，青藏高原的完整演化模式必須考慮亞洲在印度-歐亞大陸碰撞之前的構(gòu)造事件中繼承下來的古地貌和巖石圈的不均一性，這對認識高原差異性隆升至關(guān)重要。

　　地體是以斷層為界的地殼碎片或地殼碎片的復合體，具有獨特的地質(zhì)歷史。通過詳細分析青藏高原白堊紀海陸轉(zhuǎn)換、構(gòu)造變形、巖漿和低溫熱年代學證據(jù)，研究團隊提出，拉薩-羌塘地體的碰撞以及隨后的拉薩巖石圈向北俯沖導致了分水嶺山脈的初步生長；南部新特提斯洋的持續(xù)俯沖，在約9500萬年前將岡底斯地區(qū)隆升至海平面之上，形成與現(xiàn)今的安第斯山相似的發(fā)展過程，稱之為安第斯型岡底斯山，并在藏南地區(qū)形成顯著的降水效應。此時的青藏高原僅有兩條狹窄的山脈，即分水嶺山脈和岡底斯山脈，但地表隆起的幅度仍有待量化。

　　印度-歐亞大陸初始碰撞時間和模式

　　研究團隊說，印度-歐亞板塊碰撞時間和方式對于限定印度北緣范圍和新生代陸內(nèi)縮短變形量至關(guān)重要，而它們又是約束高原地表隆升幅度和深部動力學機制的關(guān)鍵。

　　目前，關(guān)于新特提斯洋閉合歷史的假說包括大印度洋盆模型、洋內(nèi)俯沖模型和單階段俯沖碰撞模型，這些模型都是基于丁林院士團隊等發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵證據(jù)——即印度-歐亞大陸碰撞形成的前陸盆地，該盆地在6500萬年至5900萬年前開始接受來自岡底斯島弧區(qū)的物源，表明此時印度-歐亞大陸已經(jīng)開始碰撞，大大早于此前國際公認的印度與歐亞大陸在5000萬年前才初始碰撞的時間。

　　同時，丁林院士團隊近20年在西藏、巴基斯坦和印度工作還獲得關(guān)鍵認識：一是目前發(fā)育在藏南的岡底斯巖漿弧、弧前盆地、蛇綠巖和海溝形成于拉薩地體南緣的洋-陸俯沖系統(tǒng)，而非形成于遠離大陸的洋內(nèi)俯沖系統(tǒng)；二是巴基斯坦北部的證據(jù)表明約5200萬年前亞洲物質(zhì)可以到達印度次大陸，不支持印度-歐亞大陸碰撞前存在洋盆。

　　因此，最新發(fā)表的論文指出，單階段俯沖碰撞模型是解釋印度-歐亞大陸碰撞最簡單，也是得到地質(zhì)證據(jù)支持的模型。但遺憾的是，古地磁數(shù)據(jù)顯示，如果印度-亞洲大陸在約6000萬年前發(fā)生碰撞，印度和亞洲大陸巖石圈必須在完全的大陸環(huán)境中吸收約4000公里地殼縮短。然而目前地質(zhì)證據(jù)表明亞洲(小于1000公里)和喜馬拉雅(小于1000公里)地殼縮短量不到2000公里。

　　為協(xié)調(diào)地殼縮短和古地磁匯聚量之間的不匹配，國際學者提出大印度洋盆模型和洋內(nèi)俯沖模型，但目前都缺乏地質(zhì)證據(jù)的支持。另外，如果印度大陸在向北漂移過程中發(fā)生過約90度的逆時針旋轉(zhuǎn)，也可簡單吸收2000公里緯向縮短量。

　　青藏高原不同造山帶具有差異隆升歷史

　　丁林院士團隊認為，解決高原隆升歷史的需求極大促進了古高度計的發(fā)展，廣泛使用的古高度定量重建技術(shù)包括氫/氧同位素、動植物化石、團簇同位素等。這些古高度定量重建技術(shù)為大陸變形和高原生長提供了關(guān)鍵信息，可以更加清晰地認識高原差異隆升過程和動力學機制。

　　結(jié)合已有定量古高度結(jié)果和深部動力學證據(jù)，研究團隊進一步恢復了青藏高原自約6000萬年前到現(xiàn)今不同地體地表隆升歷史和巖石圈演化過程，提出青藏高原不同造山帶具有差異的隆升歷史：

　　5500萬-4500萬年前，由于新特提斯洋俯沖板片的斷離，岡底斯造山帶隆升到4500米高海拔。

　　4500萬-4000萬年前，新特提斯板塊斷離之后，更具浮力的印度巖石圈向北水平楔入，激活羌塘地體南北部縫合帶發(fā)生陸內(nèi)俯沖，使得分水嶺山脈隆升到5000米的高海拔；此時位于岡底斯造山帶和分水嶺造山帶之間的中央谷地、高原最南部的喜馬拉雅造山帶以及高原北部還處于小于2000米的低海拔，高原整體形成“兩山夾一盆”的地貌特征。

　　4000萬-3000萬年前，拉薩巖石圈在中央谷地下方拆沉，上地殼縮短、巖漿底墊和軟流圈上涌等多種深部地球動力學過程耦合作用，使得中央谷地抬升4500米的目前高度，青藏高原由造山帶正式轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一高原。

　　2500萬-1500萬年前，由于印度大陸的持續(xù)俯沖，喜馬拉雅山脈下方俯沖的印度大陸巖石圈及藏北可可西里-昆侖山下方俯沖的歐亞大陸巖石圈先后發(fā)生拆沉，喜馬拉雅山與昆侖山先后隆升到現(xiàn)代高度，現(xiàn)代意義上的高原形成。

　　丁林院士團隊指出，不過，青藏高原北部地區(qū)的隆升歷史尚存在較大的不確定性，需要更多定量古高度數(shù)據(jù)來驗證。

　　青藏高原隆升未來需重點發(fā)展四大研究方向

　　丁林院士團隊表示，地球物理探測揭示出現(xiàn)今印度和歐亞大陸巖石圈已發(fā)生從水平楔入到陡峭俯沖、板塊的撕裂、斷離以及拆沉等各種地球動力學行為，這表明在整個新生代印度-亞洲大陸碰撞過程中，不斷發(fā)生類似過程，最終導致青藏高原構(gòu)造變形、巖漿作用和地表隆升的時空差異性。

　　針對青藏高原隆升時間和機制問題后續(xù)研究，丁林院士團隊認為，今后需要重點發(fā)展四個方面研究方向：

　　一是解決印度-歐亞大陸匯聚量和地殼縮短之間的不一致性；二是需要大量高分辨率的古高度數(shù)據(jù)精確限定高原隆升歷史；三是結(jié)合數(shù)值模擬和地質(zhì)數(shù)據(jù)，準確重建高原地球系統(tǒng)演化歷史；四是結(jié)合地球物理成像技術(shù)和地球動力學模擬，闡明大陸巖石圈的循環(huán)過程和分布范圍，解析大陸碰撞如何影響鄰近板塊邊界的構(gòu)造以及全球規(guī)模的地幔對流。