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你或许会唱《青藏高原》,但你一定不知道青藏高原是怎么诞生的……
 
编辑:信息中心投稿    来源:科技日报公众号      时间:2017/9/1 10:00:31 

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最近,我国开始了第二次对青藏高原的大规模综合性科学考察研究。虽然,上世纪70年代开展的第一次青藏高原综合科考取得了一些“科学大发现”,但是人们对这片雪域高原的了解还远远不够。

时至今日,作为地球“第三极”,青藏高原的形成过程仍然没有定论,科学家为此已经争论了近百年。百年间,他们提出了各种学说来解释青藏高原新生代地壳的变形和地表的隆升。

青藏高原是“垫”起来的

印度地壳俯冲学说认为,印度地壳整体性下插到青藏高原之下,导致了双倍于正常大陆地壳厚度的地壳和青藏高原的形成。

地球物理观测数据表明:青藏高原地壳的厚度是正常大陆地壳厚度的两倍。早在1924年,为了解释这个问题,瑞士地质学家阿尔冈根据大陆漂移理论提出了印度地壳俯冲学说。该学说也是最广为人知的一种解释青藏高原形成的模型。

“印度地壳俯冲学说是指印度地壳整体性下插到青藏高原之下,导致了双倍于正常大陆地壳厚度的地壳和青藏高原的形成,印度地壳就好像一块板垫到了青藏高原的下面。”829日,中国科学院地质与地球物理研究所陈林副研究员接受科技日报记者采访时这样说。

此后,不断有科学家在此基础上,对这一学说进行了完善。

英国地质学家鲍威尔和康拉罕1973年提出了改进版双地壳模型。他们认为印度大陆的俯冲作用导致了青藏高原双地壳结构和均一海拔高度的形成,也就是印度大陆岩石圈的板底垫托作用导致了青藏高原地表的快速隆升。与阿尔冈的“一块板”垫托的观点不同,该模型认为青藏高原的隆起是由印度大陆岩石圈“多块小板”垫托起来的。

1985年,美国地球物理学家提出了衍生版俯冲模型大陆贯入说,该学说认为在青藏高原的下地壳存在着一种粘滞性很低的粘流体,刚性的印度板块地壳向北贯入到软弱的青藏高原低粘滞性的下地壳中,其动力机制就类似于液压千斤顶的原理。在印度板块贯入的压力下,青藏高原隆起抬升。

根据千斤顶原理,青藏高原必须在印度板块贯入的地方保持低强度,同时,印度板块贯入地方周围的岩石属性必须具有高强度,这样才能在横向上承受印度板块贯入的压力,发生向上的隆升。然而,青藏高原周围的块体并不都具有高强度,不满足横向承受住印度板块贯入压力的条件,因此该学说不能很好地解释青藏高原的隆升。

青藏高原是“挤”出来的

一致性增厚学说认为印度板块向北推挤,导致青藏高原岩石圈大规模缩短,由此产生了比正常地壳厚一倍的地壳,导致了青藏高原的隆升。

如果我们想把房顶变高,会有两种选择:可以在原来屋顶上再加盖一层,也可以把原屋顶两边的屋脊往中间挤,让它更高耸。

英国地质学家杜威和伯克就觉得青藏高原是靠第二种方法“长”起来的。他们于1973年提出一致性增厚学说,认为在青藏高原地体之下并没有吸收印度大陆的地壳,印度板块的作用就好像是一个带有锯齿形末端的刚性块体而向北推挤,青藏高原岩石圈大规模地缩短,由此产生了比正常地壳厚一倍的地壳,从而导致了青藏高原的隆升。该理论认为整个亚洲大陆地壳的南北向缩短增厚是连续性的和一致性的。

青藏高原是“浮”上来的

一致性增厚以后,青藏高原下方增厚的岩石圈地幔被软流圈物质剥离取代,导致总体质量减小,在软流层浮力作用下,地壳隆起抬升。

1981年,澳大利亚地球物理学家霍斯曼和英国地球物理学家麦肯齐等人提出,一致性增厚以后,青藏高原下方增厚的岩石圈地幔被更热和更轻的软流圈物质对流剥离并取代,导致岩石圈总体质量减小,在软流层浮力的作用下,地壳隆起抬升。这个过程就好像将一块下方绑着铁块的木板放入水中,铁块掉下去以后,木板就会在浮力作用下上浮。

此外,美国地球物理学家莫拉等人也指出,一致性增厚的过程应该是缓慢进行的,并且此过程也不能使青藏高原达到现在的高度,因此,增厚的岩石圈地幔被剥离以后,变得更轻在浮力作用下地壳抬升是青藏高原突然隆升的主要机制。

青藏高原是“堆”起来的

下地壳流学说认为随着青藏高原地壳增厚,低粘度的下地壳在重力驱动下向低海拔区域流动,并在高原周边受阻聚集,从而导致地表隆升和高原扩展。

自霍斯曼、麦肯齐等人提出他们的想法后,一些科学家也开始把关注点放在青藏高原下地壳。1997年美国地球物理学家若伊邓等人就提出了青藏高原演变的下地壳流学说。

该学说认为青藏高原东缘地区的地形特征被认为是来自高原中部的下地壳软弱物质在重力作用下,向东部流动并因受阻而聚集,在这个过程中囤积起来的物质就会向上“挤”,这就导致了地表的抬升。陈林进一步解释说:“随着青藏高原地壳的增厚,低粘度的下地壳在重力的驱动下向周边低海拔的区域流动,这些流动的下地壳物质在高原周边受阻而聚集,从而导致了地表的隆升和高原的向外扩展。”这个模型认为上地壳变形对地形生长的贡献微乎其微,而下地壳管道流才是导致地壳增厚和地表抬升的主导因素。

科学家揭示青藏高原形成地壳流变机制

“已有的模型几乎很少关注地壳流变非均一性对青藏高原形成的影响。”陈林说,实验岩石学的研究结果表明,由于岩石成分不同,大陆下地壳流动变形的强度可相差达到三个数量级,沿着整个碰撞带岩石圈结构存在着强烈的非均一性,也就是差异性。

为了探讨这个问题,陈林与澳大利亚莫纳什大学法比奥·卡比塔尼奥博士、美国伊利诺伊大学香槟分校刘丽军博士以及瑞士联邦理工学院塔拉斯·盖亚教授合作,利用三维热-力学模拟研究方法研究了不同强度的构造板块之间的碰撞过程。

研究者首先测试了两种模型,即一个弱的亚洲板块和一个强的亚洲板块。在这两个模型中,他们让从南边而来的印度板块都保持高强度。亚洲板块与印度板块相撞以后,强的亚洲板块模型出现了一个窄的造山带,而弱的亚洲板块模型造成了一个宽阔的高原。然后,研究者开展了第三组实验,此时的亚洲板块在西部强度大而在东部强度弱,结果产生的高原形态和今天我们看到的青藏高原非常类似,即西部狭窄而东部宽阔。

该研究揭示了大陆地壳成分和流变非均一不仅控制了深部结构,还决定了地表形态,这对理解其他造山带或高原的形成机制具有重要借鉴和启发意义。

 


 
 
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