海底地质历史演化模型 -海底地质灾害

青藏高原是多个地体持续向欧亚大陆碰撞拼贴形成的，最近一期事件是印度大陆的拼贴。准确重建印度与欧亚的碰撞过程是认识青藏高原构造演化历史的关键。半个世纪以来，前人沿着大陆碰撞的边界-雅鲁藏布江缝合带获得了一系列指示大陆初始碰撞的地质学证据，包括沉积物源转变、超高压变质事件、古纬度重合等。然而，不同位置的证据约束得到的初始碰撞时间存在较大的差异。一种可能的解释是穿时碰撞，即东西展布数千公里的印度大陆与欧亚大陆的碰撞过程存在早晚差异。前人对比沿缝合带的地质证据，提出了不同的碰撞过程，分别包括印度大陆北缘的西侧、中间，或东侧与欧亚先碰撞。也有部分学者认为印度与欧亚的碰撞不存在穿时性。由于地质证据沿缝合带的分布不连续且性质差异较大，简单的时间对比难以限定大陆的碰撞过程。

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洋底磁异常条带记录的印度板块运动信息为认识印度与欧亚的碰撞过程提供了新的视角。前人恢复得到印度板块上的单个参考点的运动轨迹与速度变化。印度大陆的漂移速度在50 Ma前后急剧下降（图1），普遍被认为是大陆碰撞带来的巨量碰撞阻力的直接体现。碰撞阻力不仅可以降低运动速度，其伴随的阻力力矩还可以显著改变印度板块的旋转特征。从理论上来讲，前人提出的不同碰撞过程将对应着不同的力臂与力矩变化。因此，印度板块的旋转特征记录了印度与欧亚碰撞过程的关键信息。

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基于以上思路，中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生吴啸岳与导师刘丽军研究员、陈凌研究员、南方科技大学胡佳顺副教授、以及中国科学院广州地球化学研究所刘亮副研究员合作提取新生代印度板块旋转信息，并结合地球动力学数值模拟，定量约束了古近纪印度大陆与欧亚大陆的碰撞过程。基于最新的全球板块重构，研究团队首先得到印度板块上南北两个参考点的运动轨迹，它们的连线方位角变化反映了印度板块的旋转特征（图1）。结果显示新生代印度板块存在两个逆时针旋转的峰期，较早的一期在52-44Ma，旋转速率约0.006°/km，其间伴随着印度大陆的显著减速；较新的一期在33-20Ma，旋转速率约0.010°/km，其间印度大陆的运动速度与现今相近。两个峰期的旋转速率均显著高于背景平均的0.003°/km。

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图1 新生代印度板块运动（a）参考点位置重建（b）方位角随时间的变化（c）运动速度（虚线）与旋转速率（实线）

随后研究团队实施了一系列三维自由俯冲地球动力学数值模拟实验，基于前人提出的碰撞模式设计了三组模型，分别包括西侧、中间、东侧突出的印度大陆北缘形态。随着模型的演化，印度板块在俯冲板片的拖拽作用下持续向欧亚板块汇聚，伴随着显著的逆时针旋转（图2）。对于西侧与中间突出的印度大陆模型，均能够提取到两个逆时针旋转峰期，与观测拟合较好（图3）。在这两种模型中，印度与欧亚的初始和完全碰撞均早于旋转峰期5-10 Myrs，这种时间差异取决于阻力力矩的演化。取印度板片的几何中心为质心，在初始碰撞阶段，当印度与欧亚陆壳最初接触时，碰撞阻力与力矩均不显著，因此无法产生显著旋转。随着碰撞的持续进行，大陆的碰撞范围逐渐扩展，此时碰撞阻力与力矩显著增大，形成了第一次旋转峰期。当进一步发展为全面碰撞时，力臂减小的效果逐渐显著，力矩随之减小，伴随着旋转速率的下降（图3）。上述定性分析可通过定量的力矩计算加以验证。大陆全面碰撞之后，随着印度上地壳的不断剐蹭与上覆板块的持续变形，板块之间的耦合显著增强，碰撞阻力及力矩增大，形成第二次旋转峰期。东侧突出模型无法得到第一次峰期，与观测拟合较差。这是由于初始碰撞发生在质心东侧，随着碰撞进行，力臂与力矩首先减小为零，无法产生额外的旋转（图3）。

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图2 西侧突出模型的演化俯视图（a-d）与剖面图（e-h）。五角星为质心位置，箭头为阻力合力，横向虚线为力臂

图3 观测与模型旋转速率对比（a）与三种模型演化过程（b-d）

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基于观测与模拟的印度板块旋转特征，研究团队提出印度大陆北缘的中西侧在55±5 Ma与欧亚大陆初始碰撞，随后向东发生穿时碰撞，在40±5 Ma时与欧亚大陆完全碰撞（图4）。这种推断得到了一系列沿缝合带关键地质证据的支持。此外，33-20 Ma的旋转峰期被认为对应着全面碰撞后板块之间的耦合增强。这与青藏高原东南缘多个地块挤出逃逸的时间吻合，南海海底扩张也在相近的时间发生。强烈的板块旋转与陆内构造变形可能共同指示了该时间段印度与欧亚板块的强烈耦合作用（图4）。

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图4 古近纪印度-欧亚碰撞示意图（a）初始碰撞与第一次旋转峰期（b）完全碰撞与第二次旋转峰期

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研究成果发表于国际学术期刊Nature Communications（吴啸岳, 胡佳顺*, 陈凌, 刘亮, 刘丽军*. Paleogene India-Eurasia collision constrained by observed plate rotation [J]. Nature Communications, 2023, 14: 7272. DOI: 10.1038/s41467-023-42920-0）。

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美编：陈菲菲

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校对：万鹏（地质地球所）

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