印度板块自新生代早期开始沿雅鲁藏布江缝合带向北与欧亚板块碰撞以来,印度板块的深俯冲过程一直是大家关注的焦点,而垂向上主碰撞带全地壳尺度由深及浅的相互作用关系研究程度相对较弱,主要归咎于之前缺少全地壳尺度高分辨率数据资料,从而也阻碍了对主碰撞带巨厚地壳成因机制及深部地球动力学过程的了解。在本次研究中,分别基于横穿主碰撞带中部和东部的180 km及100 km长的深反射地震剖面进行精细构造地球物理学分析,揭示了主碰撞带全地壳尺度由深及浅的相互作用关系:(1)横向上,印度板块下地壳存在北向俯冲,且俯冲前缘有限的存在于南拉萨地体南缘。上覆的南拉萨地体则出现透明反射结构和中拉萨地体统一北倾的反射结构。(2)垂向上,印度地壳主要表现下地壳俯冲、中上地壳双冲构造回返结构。南拉萨地体四分之三的地壳表现为透明反射。占据另外四分之一的上地壳顶部表现为统一的南倾结构形态;中拉萨地体则以下地壳北倾、上地壳上拱反射结构为主。三者皆在垂向上出现差异性变形。(3)主碰撞带上地壳顶部表现为统一的后展式顶板逆冲推覆构造,该逆冲推覆系统可一直从南拉萨地体北边界的洛巴堆—米拉山断裂向南越过南倾的雅江缝合带延伸至北喜马拉雅穹窿背斜北翼。结合大地电磁数据所揭示的南拉萨地体高熔体百分比区域沿俯冲印度下地壳顶边界发生的南移现象,研究结果揭示南拉萨地体巨厚地壳主要由新特提斯构造域幕式岩浆作用所形成的新生地壳物质易挤压变形引起。同时,南拉萨地体幕式岩浆作用在印度与欧亚板块的相互碰撞作用过程中发生了热量的向南运移。该过程引发北喜马拉雅构造带深熔作用的同时减弱了北喜马拉雅构造带地壳机械强度,从而使中上地壳物质的双冲构造回返主要表现为短波长背型堆垛结构,并垂向增厚了俯冲印度地壳厚度。同时,背型堆垛构造形变过程所导致的北喜马拉雅穹窿带的加速出露给主碰撞带区域上地壳顶部带来北向的构造挤压推覆作用,最终使主碰撞带区域在北喜马拉雅穹窿区域以北展现为统一的后展式顶板逆冲推覆结构构造。印度-欧亚板块主碰撞带的圈层相互关系是造成该区域巨厚地壳的关键,其上地壳顶板逆冲推覆过程亦降低了主碰撞区域的地形起伏。

青藏高原的隆升直接影响了区域乃至全球的气候变化,其地貌演化过程存在较大争议。羌塘地体作为青藏高原的重要组成部分,了解其隆升和剥露过程对于认识高原中部的地貌演化具有重要意义。已发表的构造变形和低温热年代数据显示,羌塘地体地表隆升和剥露过程经历了早白垩世—古新世(125~65 Ma)、始新世(55~35 Ma)以及渐新世以来(<30~0 Ma)3个阶段。在白垩纪—古新世时期,拉萨-羌塘地体的碰撞以及中羌塘地体的构造负载导致逆冲断层和地表剥露从中羌塘地体向南、北扩展到南、北羌塘地体。在始新世时期,印度-亚洲板块连续汇聚引起拉萨地体和松潘-甘孜地体分别向北、南俯冲,导致南羌塘地体和北羌塘地体北缘强烈变形和剥露,而中羌塘地体和北羌塘地体中部微弱变形和剥露。此时,该地体的海拔至少达到了3.0~4.0 km。在渐新世以来,羌塘地体构造变形已经结束,地表剥露可能与该地体南北向正断层活动有关。

前人将西藏南部特提斯喜马拉雅带加查地区出露的上三叠统中低级变质岩组合“朗杰学群”统认为是一套深海-半深海复理石建造。近来调查研究发现,该晚三叠世地层中实则存在一陡立剪切带(SSB),其南北物质组成、构造变形以及变质作用等存在明显差异。SSB以北具有明显“岩块”+“基质”的增生杂岩特征,“岩块”主要包括变砂岩、灰岩、大理岩、绿片岩、玄武质片岩、变质基性岩、片理化阳起石岩和石榴石云母片岩等;“基质”主要由变质砂板岩、绢云千枚岩和绢云石英千枚岩(千糜岩)等组成,原生沉积构造基本不可见,未见化石保留。然而,SSB以南的地层主要为粗粒—细粒长英质砂岩、泥岩和浅变质板岩组成,重荷模、沟槽模、鲍玛序列、韵律层等原生沉积构造以及遗迹化石十分发育。构造解析表明增生杂岩主要发育两期构造变形:第一期构造变形(D₁)表现为顺层剪切形成向北缓倾、具有强烈透入分异面理、长英质脉体新生面理S₁,运动方向指示顶部朝南;第二期构造变形(D₂)表现为近南北向挤压应力作用形成的向南中-高角度倾斜构造置换面理S₂,运动学指示为顶部朝北逆冲剪切,顺劈理发育同构造中基性岩墙。SSB南侧地层主要发育一期近南北向挤压作用形成的褶皱-冲断构造,运动学指示为顶部朝南的逆冲剪切。加查增生杂岩中朝北逆冲叠瓦的构造样式与朗杰学群褶冲带中朝南逆冲叠瓦的构造样式共同构成正花状构造,锆石U-Pb年代学揭示增生杂岩“基质”时代与南部地层时代均为拉丁期—诺利期(242~220 Ma),增生杂岩中“岩块”时代有晚三叠世、晚侏罗世(146 Ma)和早白垩世(144 Ma),表现为“岩块”具有多时代特征。同构造中基性岩墙的形成时代为约56 Ma,代表北侧第二期构造变形事件发生在始新世早期,间接限定第一期构造变形可能发生在古新世—始新世之间。变形构造层次和构造演化研究认为,加查增生杂岩中发育的两期变形分别对应印度被动大陆北缘与亚洲大陆南缘之间的俯冲—增生和碰撞过程,即加查增生杂岩可能为印度被动陆缘俯冲形成。加查增生杂岩与朗杰学群褶冲带构成的正花状构造样式可能代表印度地壳增厚和喜马拉雅造山带隆升,SSB内发育朝南东东缓倾的线理构造,暗示动力学背景可能为始新世晚期印度地壳向亚洲大陆之下斜向俯冲。

正在进行的印度与欧亚板块陆陆碰撞研究已取得丰硕的研究成果,然而印度地壳与欧亚大陆地壳的深部构造接触关系仍存在较大争议。因此在本次研究中,我们选取当前Moho几何结构展布研究争议最大的北喜马拉雅构造带东部为重点研究区域,基于布设的短周期密集台阵数据与公开的宽频带台站数据集,使用远震P波3DCCP叠加与改进的Moho拾取算法,获取了区域内高分辨率的3D Moho形态。综合前人接收函数2DCCP剖面、层析成像与大地电磁剖面等综合研究结果,本次研究共取得如下认识:(1)Moho深度从高喜马拉雅下方约60 km向北加深至雅江缝合带下方约70~75 km;(2)在雅江缝合带南部约28.9°N范围内出现东西向超120 km长的Moho深度突变带;(3)垂向上,该Moho埋深异常带两侧存在整体相反的Moho倾向和岩石圈热结构的差异,北倾的结构界面代表俯冲印度地壳前缘莫霍面几何结构,而南倾的则代表上覆的欧亚板块大陆地壳。综合研究分析表明,俯冲的印度地壳在北喜马拉雅构造带东部仅存在于雅江缝合带南侧,并没有越过雅江缝合带持续向北延伸。该种现象可能受控于两种作用:(Ⅰ)印度地壳俯冲前缘受南拉萨新生地壳的阻挡仅停留在雅江缝合带以南;(Ⅱ)该区域东构造结东侧印度大陆受到来自印度洋板块向东俯冲而发生顺时针转向拖曳。二者共同作用导致了北喜马拉雅构造带东部印度与欧亚大陆现今的地壳构造接触关系。

印度大陆板块从位于南半球的冈瓦纳大陆裂解并漂移到当前位置已得到普遍认可,但大陆板块运动的驱动力在大陆漂移学说提出至今一直存在争议,定量估算印度大陆板块运动的驱动力有助于减少争议。我们收集了印度大陆南部被动大陆边缘盆地区域的两条深反射地震勘探剖面,并对其进行了构造地质解译,详细估算了其莫霍面倾角,得到了地壳重力滑移剪切力的大小,用于解释印度大陆运动的动力机制。结果说明,印度大陆板块在地幔上涌形成的倾斜界面上能够产生足够大的重力滑移力驱动印度大陆向北漂移。由此提出一个“地幔上涌和重力滑移”双驱动大陆漂移模型,即大陆板块依靠连续的地幔热上涌和重力滑移力会持续漂移。该模型能够合理解释印度洋上的大陆残片,也能合理解释印度大陆北漂中左旋的成因机制。该重力滑移驱动机制为板块运动提供了一个新的动力模式,为认识板块运动驱动力提供了更为精确的约束信息。