2022·中国科普月｜温泉揭示了西藏下方大陆板块碰撞的地方

通过分析200多个地热泉的化学性质，研究人员确定了印度板块在西藏下方的终点，揭穿了一些关于大陆碰撞过程的长期辩论理论。

在山建设的经典例子中，印度和亚洲大陆板块崩塌，今天继续碰撞，形成了世界上最大和最高的地质结构：喜马拉雅山脉和青藏高原。

尽管这些地层通过大气环流和季节性季风影响全球气候，但专家提出了相互矛盾的理论，即地表下的构造板块如何创造标志性庞然大物。现在，科学家利用225个温泉的地球化学数据绘制了印度和亚洲大陆板块之间的边界，揭示了地表深处发生的过程。这些发现对矿物形成有影响，发表在当前一期的《美国国家科学院院刊》上。

斯坦福大学地球、能源和环境科学学院（斯坦福地球）地球物理学教授、高级研究作者Simon Klemperer说，地质学家的一个主要争论是大陆碰撞是否看起来像海洋碰撞。由于测量太少，地震学没有给我们答案——这就是为什么我将地球化学作为一种完全不同的测量方法。

Klemperer花了十多年的时间前往西藏和印度收集样本，以支持他的理论，即冒泡到表面的化学物质可以用来了解50英里以下发生的事情。他和他的同事在山脉和高原上追踪了数百英里的偏远地热泉——大约从加拿大到美国西部墨西哥的距离。

使用与其他化学物质不反应的惰性气体氦，研究作者确定了哪些泉水来自每个大陆板块。当气体来自热地幔（亚洲板块）时，揭示了一个氦同位素特征，而另一个特征表明印度板块要冷得多。研究表明，只有在喜马拉雅山的南部，即喜马拉雅山下方，才检测到较冷的板块，而在更北的地方，印度不再接触到它上面的西藏——它被一楔子热斗篷与西藏隔开。结果表明，印度板块平躺在西藏下方的旧理论已站不住脚。

Klemperer说，令人惊讶的是，我们现在在100公里深的板块边界上方只有几公里宽的边界，这令人惊讶。

俯冲与碰撞

在海洋俯冲中，当更凉爽、更重的板块潜入大陆板块并下沉时，地下的材料被回收到地幔中。这个过程发生在火环等地区，火环以频繁的地震和活火山而闻名。

在大陆碰撞中，研究人员假设，海洋地壳的俯冲将两大洲拉近，直到它们碰撞，关闭了俯冲带，以便进行山地建设。西藏下方大陆边界的这一证据引入了大陆地壳释放流体和融化的可能性——就像在海洋俯冲时发生的情况一样。

Klemperer说，这说明我们不应该将大陆碰撞和海洋俯冲视为两件不同的东西——我们应该将它们视为具有不同口味的相同事物，因为从几何学上看，它们看起来是一样的。

构造海洋变化

20世纪60年代，板块构造理论通过解释地质板块如何相互漂移，导致山地建设、火山爆发和地震，彻底改变了地球科学。但研究人员对板块为什么移动的方式知之甚少。

Klemperer说，这些新发现增加了一个重要的理解因素，对什么控制驱动板块构造的对流具有潜在影响。他说，尽管这是一次大陆碰撞，但跳入地幔的印度板块有助于控制对流模式——它改变了我们理解元素和岩石类型在地球上的分布和重新分布方式。

这项研究以之前的研究为基础，Klemperer和他的同事使用地震数据对喜马拉雅碰撞区进行了成像，并发现随着印度构造板块从南部移动，板块最厚和最坚固的部分会下降到青藏高原下方，导致印度板块撕裂。这些眼泪与温泉中的氦气通量位于同一位置。

Klemperer补充说，我们通过这些不同的镜头看到了相同的过程，我们必须弄清楚如何把它们放在一起。

矿物影响

自从西班牙人征服南美洲寻找黄金以来，文明们就知道安第斯山脉等地的矿藏丰富，这些矿藏是火环的一部分。西藏南部最近也被公认为一个矿产丰富的省份，拥有金、铜、铅、锌和其他矿床，仅使用旧的大陆碰撞模型很难解释。

Klemperer说，最大的铜矿床发生在热地幔楔融化产生的花岗岩中——如果它看起来像旧模型，这不应该发生在大陆碰撞中，但我们知道确实发生了，因为我们在西藏拥有所有这些矿物。我们的工作告诉我们大陆碰撞的大规模构造，并表明我们可能预计在大陆碰撞环境中看到与海洋俯冲环境相同的矿藏。

作为我们星球上唯一活跃的大陆碰撞，喜马拉雅山和西藏也让人们瞥见了其他山脉过去是如何形成的，将来可能形成的。

Klemperer说，澳大利亚刚刚开始与印度尼西亚区块相撞——这是大陆冲突开始发生。西藏是需要解决的类型示例，我们希望它能像其他地方一样了解地球上是如何发生的。

Klemperer也是地质科学教授。作为斯坦福大学博士生参与该项目的刘天泽是该研究的合著者。其他合著者来自中国科学院、俄亥俄州立大学、新墨西哥大学和斯克里普斯海洋学研究所。

这项研究得到了国家科学基金会、第二西藏高原科学探索研究计划、中国科学院战略优先研究计划、国家地理和斯坦福国际办公室的资助。

故事来源：

斯坦福大学提供的材料。原文由Danielle Torrent Tucker撰写。注意：内容可以根据样式和长度进行编辑。

相关多媒体：

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期刊参考：

Simon L。Klemperer、Ping Zhao、Colin J.怀特，托马斯·H。Darrah，Laura J.Crossey，Karl E。Karlstrom、Tianze Liu、Carmen Winn、David R.希尔顿，林丁。印度在西藏下方的有限插孔：3 He/4 He对温泉的分析定位了大陆碰撞中的地幔缝合线。美国国家科学院院刊，2022年；119（12）DOI：10.1073/pnas.2113877119

标签： 大陆碰撞 印度板块