第八屆青藏高原東部構造與地球物理研討會（WTGTP2020）反映的新進展＊

武 粵 李國輝 高 原

（中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

引言

第八屆青藏高原東部構造與地球物理研討會（WTGTP2020）暨中國地球物理學會中國大陸動力學專業(yè)委員會和中國地球物理學會固體地球物理委員會2020 年學術年會，于2020 年9 月17—11 月24 日在網上順利聯(lián)合召開。本次會議共組織了6 場報告會（表1），圍繞青藏高原東部及其周緣地區(qū)，從地球物理、地質構造和地球化學等方面做了12 個精彩紛呈的學術報告。報告主要分為5 個方面內容：①深部結構復雜性與地震活動；②深部構造、地震各向異性與動力學；③地質構造及其相關科學問題；④地球化學及巖漿作用與深部過程；⑤新理論、新方法及其應用研究。

表1 第八屆青藏高原東部構造與地球物理研討會（WTGTP2020）學術報告日程Table 1 Academic report schedule of the 8th workshop on tectonics and geophysics in the east part of Tibetan Plateau（WTGTP020）

此次WTGTP 系列研討會成果豐碩，交流了與青藏高原東部及其周邊地區(qū)地質構造、地球物理、深部結構、深部動力學以及特提斯（Tethys）構造域不同構造區(qū)對比研究方面的前沿進展，為廣大科研人員及專家學者提供了良好、開放的交流平臺，為研究青藏高原大陸動力學提供了新思路、新方法，也促進了中國地球物理與地質事業(yè)的發(fā)展。

1 地球物理探測與深部結構

地球物理探測方法是科學家用以解決各種地球科學問題的手段。隨著科學技術的發(fā)展以及社會的需要，遍布全球的數(shù)字地震臺網和衛(wèi)星多尺度探測技術采集的大量信息數(shù)據，以及各種成熟的三維成像方法等等，更進一步促進了地球科學的發(fā)展。簡而言之，地球物理學是全球性多學科的綜合探測與研究[1]。

地球內部結構、地震災害評估、資源評價，甚至全球環(huán)境變化的預測與預防，都需要地球物理學家提供高分辨率的觀測系統(tǒng)和精細化的物理—數(shù)學模擬理論與方法[2]。青藏高原是目前地球上海拔最高、規(guī)模最大和時代最新的陸陸碰撞造山帶，也是全球范圍內殼幔結構最復雜、相互作用最活躍的帶域之一。青藏高原殼幔結構和深部過程也備受地球物理學家和地球科學家的關注[3]。

1.1 背景噪聲成像

青藏高原構造背景復雜，新生代時期，印度板塊俯沖碰撞，使得新特提斯洋閉合，青藏高原主體地塊?拉薩地塊、羌塘地塊、松潘—甘孜地塊等，慢慢從青藏高原主體向東南方向擠出，在其東緣受到堅硬四川盆地的阻擋，高原東緣地殼明顯增厚，殼內結構強烈變形，才逐漸形成今天的結構形態(tài)[4-6]。印度板塊的俯沖碰撞，對青藏高原的地形地貌包括物質的變形都影響巨大。新生代以來，兩大板塊之間的碰撞及隨后的擠壓使青藏高原巖石圈的主應力方向不斷變化，產生了強烈的變形和斷裂作用，形成了厚地殼、薄巖石圈、厚軟流圈的構造格局，使得該區(qū)域地質結構復雜、深大斷裂發(fā)育、地震及火山活動性強烈[7-9]。

青藏高原的精細地殼速度結構，對理解青藏高原的隆升過程，研究該區(qū)域結構演化和構造背景，勘察成礦帶及預防地質地震災害等都具有重要的科學意義。Liu 和Yao[10]運用布設在該區(qū)域的132 個寬頻帶長周期固定地震臺站、INDEPTH 等流動臺陣及中科院地質地球物理研究所在班公—怒江縫合帶兩側60 km 左右寬度所架設的密集SANDWICH 臺陣，一共400 多個臺站的數(shù)據，通過背景噪聲成像結果，研究了青藏高原主體的三維結構。研究采用的是Fang 等[11]發(fā)展的面波反演方法，該方法可以直接從不同周期、不同路徑的面波頻散走時直接反演獲得三維S 波速度結構，與傳統(tǒng)的間接兩步反演方法[12]相比，無需構建相速度與群速度圖，對結構的橫向變化有更好的平滑約束。反演結果顯示，青藏高原中下地殼存在大規(guī)模的低速異常，整體呈現(xiàn)空間的橫向不均一性，在雅魯藏布縫合帶中西段北側，拉薩地區(qū)、羌塘地塊北部都存在很強的殼內低速層。張智奇等[13]使用青藏高原東南緣川滇地區(qū)的固定臺網的密集臺陣，運用該方法得到該地區(qū)三維地殼上地幔結構[11]，發(fā)現(xiàn)小江斷裂帶及其東側區(qū)域下方的中下地殼低速帶，與西北方川滇菱形塊體和松潘—甘孜塊體中的大片低速異常體斷開，并且與紅河斷裂帶和沿著麗江—小金河斷裂帶向西南延伸的低速帶之間并未聯(lián)通[14]，推斷這個低速體很可能不是由青藏高原地殼物質擠出形成的[15]。綜合其他地球物理資料分析，認為小江斷裂帶下方的低速體主要成因可能是由于其地殼組分以長英質為主，地殼增厚導致其發(fā)生了部分熔融，斷層剪切生熱以及流體或熔體的存在加劇了熔融，進一步擴大了低速帶的范圍[13]。因此，認為該區(qū)域中下地殼物質很有可能存在塑性流動，更符合中下地殼流模型[16-19]。

Li 和Song[20]在傳統(tǒng)的接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演技術[21-24]的基礎上，加上P 波模型的限制，得到S 波速度隨深度的變化，基于600 多個地震臺站的數(shù)據，得到了青藏高原東部巖石圈方位各向異性橫波速度模型。結果顯示，青藏高原中下地殼的低速層沒有形成管道，分布比較離散，高原的生長具有時空不勻均性。由此，提出了一個青藏高原的階段式增長模型，變形模式在不同階段而不同：在早期，高原的增長主要來自不均勻的地殼擠壓增厚；而在后期，弱化的中下地殼則發(fā)生局部流動，且沒有一致的方向。東南高原邊緣軟流圈上升可能提供了一種額外機制，以解釋其隆升及地幔各向異性與地表變形的差異。

雖然背景噪聲成像方法，擴展了傳統(tǒng)地震面波層析成像的頻帶范圍，在一定范圍內提高了成像的精度，但如果面波反演中僅用基階頻散曲線，面臨著反演的非唯一性問題，上面兩種方法也都采取了不同方式的約束條件來解決該問題[25-31]。陳曉非院士認為，僅使用基階信息很難成為獨立的、高精度的結構成像方法。為此，他提出了矢量波數(shù)變換方法（F-J方法），從背景噪聲中提取高階振型的頻散曲線，可以有效提取多階面波信息。然后通過比較基于該方法從噪聲信息中提取的頻散曲線與計算的理論頻散曲線的擬合程度，發(fā)現(xiàn)該方法可以計算出多階的面波頻散曲線，驗證了該方法對于理論數(shù)據是有效的。表明地震面波（主動源、被動源）成像方法，在充分利用多階頻散信息基礎上，有望成為一種獨立的、具有較高精度的地球內部結構（深、淺）成像方法。該方法在今后的研究中運用到青藏高原地區(qū)，將得到更精細的殼幔結構、巖石圈三維結構，對分析青藏高原深部結構及演化過程，甚至對研究全球巖石圈起到重要的作用[32]。

1.2 深地震反射剖面

深地震反射剖面探測技術被國際地學界公認為是探測巖石圈精細結構的行之有效的技術之一，也是破解大陸碰撞變形奧秘的最佳途徑。探測青藏高原深部結構，揭露兩個大陸如何碰撞，碰撞如何使大陸變形的深部過程，一直是全球關注并試圖揭開的科學奧秘。

在之前的碰撞模型中，推測印度板塊的俯沖角度沿雅魯藏布江由西向東變陡[33-37]。高銳等[38-40]在2010—2019 年，經過10 年時間，實施了5 條深反射地震剖面，揭示出印度板片俯沖與亞洲地殼碰撞變形的行為與深度。橫過雅魯藏布江的Moho 面并沒有法國學者基于扇形坡面提出的20 km 錯斷[41]。但證實了主喜馬拉雅逆沖斷層（MHT）的存在，并且以傾角大約19°向北延伸至20 s 約60 km 深度。Moho 面深約為70—75 km，印度地殼向北俯沖過程中厚度急劇減薄，至雅魯藏布江縫合帶下，自MHT 算起僅為14 km，相比喜馬拉雅山前緣42 km 厚度，已經明顯變薄。伴隨著印度地殼俯沖，沿MHT 前緣印度地殼物質發(fā)生了回返堆積，形成雙重構造疊置（Duplexing），這一過程使喜馬拉雅地殼加厚[39-41]。中部剖面揭示印度大陸與亞洲碰撞，沒有“平”俯沖的構造樣式。兩個大陸Moho 面與下地殼相向傾斜碰撞，碰撞面呈近于直立樣式。地殼存在構造滑脫層，碰撞類鱷魚嘴構造樣式，上下地殼拆離。印度大陸下地殼高角度俯沖在雅魯藏布江縫合帶之下，在岡底斯前緣沉入地幔，上地殼沒有卷入俯沖。上地殼6 s 附近出現(xiàn)兩點反射，下地殼表現(xiàn)為明顯弱反射，重合于MHT 的低電阻范圍。揭示了岡底斯帶下地殼的部分熔融特性，雙重構造疊置是喜馬拉雅下地殼加厚的主要過程。從西部到中部再到東部，橫跨雅魯藏布江縫合帶，俯沖的印度地殼的Moho 面的幾何結構是變化的，這個現(xiàn)象就揭示了俯沖的印度地殼前沿發(fā)生了撕裂[42]，說明沿雅魯藏布江縫合帶橫向，印度板塊不均一俯沖的深部過程。

在青藏高原內部及東緣，他們運用深反射地震剖面等方法進行了研究，揭露高原南部和北緣陸陸碰撞的深部行為，青藏東緣與北緣不同的地殼向外擴展過程，發(fā)現(xiàn)地殼尺度構造疊置加厚是共同的地殼生長機制，東昆侖—西秦嶺構造帶是青藏巖石圈與亞洲巖石圈的深部分界。推測青藏高原東緣（松潘—龍門山—四川盆地）與東北緣（祁連山—河西走廊—阿拉善，西秦嶺—六盤山—鄂爾多斯）有著不同的地殼生長（擴展）過程。前者以塊體地殼尺度側向剪切變形為主，受四川盆地阻擋，地殼沒有向外擴展[43]。后者受到外緣克拉通南向推擠，下地殼俯沖縮短增厚，上地殼向外逆沖擴展[44]。陸內俯沖是祁連山向北擴展生長的主要動力學，陸內俯沖繼承了早期北祁連洋南向的俯沖遺跡，多次南向俯沖，改造了北祁連早期地殼構造[45-46]。

1.3 地震各向異性

當?shù)卣鸩ㄔ诘厍騼炔總鞑r，地震波的相速度和群速度會隨著傳播方向的不同而變化，沿著不同方向傳播的地震波，不僅傳播速度不同，還具有不同的偏振特性[47]，這種現(xiàn)象被稱為地震各向異性[48]。由于地球內部的構造變形作用[49-50]，人們發(fā)現(xiàn)在地球的不同圈層各向異性現(xiàn)象都是存在的[51-55]，也就是地球作為地震波的傳播介質是各向異性的[56-63]。

大量的觀測事實表明，地震各向異性在地殼及上地幔普遍存在。地殼各向異性由于受到地質、構造、巖相、斷裂分布和應力環(huán)境等因素的影響，并與地殼運動特征密切相關，區(qū)域性很強，對深入了解研究區(qū)域地球物理和地震學特征具有重要意義[57-58]。通過對地幔各向異性的研究可以了解地球的深部結構和塊體運動特征，解釋地幔對流、地球深部物質或能量的交換、地幔熱柱等科學問題。將淺部構造差異與深部地球物理觀察相聯(lián)系起來的是地震波各向異性，Chen 等[64]用S 波分裂分析青藏高原—喜馬拉雅造山帶的巖石走向的各向異性，俯沖的印度板片發(fā)生的撕裂，撕裂的位置對應非常年輕的南北向的裂谷。喜馬拉雅快波方向近平行于造山帶方向，整個喜馬拉雅造山帶匯聚產生的速度場方向為北北東，少量快波方向垂直于造山帶方向。

方位各向異性是地球球面上各向異性的分布情況。Forsyth[65]首先發(fā)現(xiàn)了太平洋地區(qū)面波相速度隨方位的變化而變化。Tanimoto 和Anderson[66]第1 次反演了面波不同周期的方位各向異性，發(fā)現(xiàn)快波方向與板塊運動方向具有關聯(lián)性。由于面波的水平傳播具有一定程度的垂直向分辨率，所以面波層析成像也是地殼上地幔各向異性的重要來源。用面波反演成像方法得到的速度結構模型表明，青藏高原上地殼具有強烈的各向異性[67]，其快軸與表面地質和地幔各向異性有很好的相關性，表明變形的一致性和巖石圈整體連貫變形的特征。然而，在中下部地殼中出現(xiàn)了截然不同的圖景，那里的各向異性在高原以下比其邊緣處無序且較弱，這與青藏東部大規(guī)模東向地殼流模型的預測不一致[26]。

通過青藏高原地殼不同深度方位各向異性的對比發(fā)現(xiàn)，東北緣各向異性強度從上地殼到中地殼明顯降低，拉薩上地殼大部分區(qū)域方位各向異性較小且無規(guī)律，下地殼方位各向異性幅值顯著增強[68]。青藏高原中下地殼呈現(xiàn)大規(guī)模的低速異常，且空間分布呈現(xiàn)橫向不均勻性，在雅魯藏布縫合帶中西段北側，拉薩地區(qū)、羌塘地塊北部存在很強的低速層[69]。反映青藏高原中部安多微陸塊對高原中部地殼流的阻擋，有可能促進西側V 型共軛斷層的形成。拉薩塊體的結構存在差異（藏東南存在斑巖銅礦分布），反映中地殼低速異常，板塊撕裂，軟流圈物質上涌[70]。根據青藏高原東南緣三維方位各向異性結果，在松潘—甘孜塊體接近東西向，羌塘塊體主要為南北向。討論隨著深部變化的地殼上地幔方位各向異性模式，結合復雜的地質變形結構，不同周期的方位各向異性在不同區(qū)域存在差異，且某些區(qū)域各向異性方向及大小隨深度也有顯著變化，顯示不同深度的介質可能存在復雜的形變狀態(tài)。在淺部，各向異性可能主要受地形及斷層走向影響，在深部，可能受青藏高原深部物質運移、上地幔巖石圈形變和軟流圈流動等因素的影響較大[71]。

1.4 地震強地面運動與數(shù)值模擬技術

地震災害主要是由地震在地表形成的強地面運動造成的，而影響地面強烈運動特征及強度的主要因素包括震源機制、震源破裂過程，震源與場點之間地質體的復雜結構及物性分布，以及場點所在地的土壤與地形變化等局部的地質條件（場點效應）[72]。地震危險性評估和地震災害預測則都是建立在以上的條件下分析推斷的。

根據物理學原理，地震的強地面活動是震源破裂過程產生的地震波傳達至地表所致。因此，在已知震源破裂過程條件下，通過數(shù)值求解描述這一物理過程的彈性動力學基本方程，可以獲得地震波的傳播過程以及其在地表造成的強地面運動[73]。采用科學計算技術和復雜介質地震波傳播算法，可以重現(xiàn)破壞性地震的地震波傳播過程，也可以推斷將要發(fā)生的地表強地震動情況。

地震波數(shù)值模擬是了解地震波傳播、地下結構、強地面運動等的有效手段。對地震能造成的破壞進行震前估計，為建筑物抗震設計提供支持；對地震發(fā)生后的震害進行評估，為抗震救災提供科學援助；利用地震觀測對地球進行研究。地震波場有限差分數(shù)值模擬的準確性取決于空間網格大小，空間網格大小通常僅依據差分格式的色散和耗散誤差所要求的每最短波長網格數(shù)的選取，沒有考慮速度模型的復雜性。對于存在速度間斷面的復雜速度模型來說，不同的介質離散方法將導致不同的有限差分離散速度模型，進而導致模擬波形的差異[74]。為了避免階梯狀近似方法需大量格點壓制虛假散射問題，張偉[75]的曲線網格法，提出牽引力鏡像法解決曲線網格中起伏地表自由邊界條件的處理問題，使其更好地擬合地形的起伏。使用輔助微分方程（ADEs）來更新輔助內存變量，并使用一個未拆分字段復頻移完全匹配層（CFS-PML）技術實現(xiàn)。在時域有限差分法和無網格有限差分法中采用四階Runge-Kutta 格式實現(xiàn)了ADE CFS-PML，并在不同的數(shù)值時間推進格式中演示了其直接實現(xiàn)。試驗表明，采用ADE CFS-PML窄條網格可以有效地模擬復雜結構模型中的全波傳播[76]。準確有效的正演模擬方法對于模擬三維真實地球模型中的地震波傳播非常重要，地震波數(shù)值模擬的穩(wěn)定性，為強地面運動定量模擬震害預測提供了良好的參考依據[77-78]。在結構反演過程中，僅僅使用基階信息的地震面波反演方法很難得到獨立的、高精度的成像結果。陳曉非[72]基于矢量波數(shù)變換（F-J）方法，發(fā)展了多階面波反演方法，并證明高階面波信息對結構反演至關重要。楊振濤等[32]進一步提出一種新的面波多道分析方法?矢量波數(shù)變換法（VWTM）。趙宏陽和陳曉非[73]運用曲線網格差分方法計算1975年海城地震的波場傳播過程，得到近斷層強地面運動的基本特征和分布規(guī)律。朱耿尚等[79]對2013 年臺灣南投地震的強地面運動過程進行了模擬，較準確地掌握了此次地震的地震波傳播過程以及強地面運動特征，對臺灣防震減災有重要的意義。李雪燕等[80]用F-J 方法處理蘇州河地區(qū)城市微動信號，最終分辨出第四紀沉積層中物性相差較小的速度界面和低速異常，說明該方法在城市淺地表精細結構成像方面具有較好的應用前景，為城市規(guī)劃和結構抗震以及震害預防服務。

運用地震面波（主動源、被動源）成像方法，在充分利用多階頻散信息基礎上，有望得到具有較高精度的地球內部結構。根據陳曉非團隊的研究，提出的自停止破裂，這是一種新的破裂方式，其最終大小取決于其在理想條件下的成核參數(shù)（斷層面、破裂空間等）。通過對地震波的研究，開發(fā)地震強地面運動模擬方法，可以發(fā)現(xiàn)地震學中許多看似互不相關的現(xiàn)象，其實本身都有內在的聯(lián)系，這種聯(lián)系的本質是彈性動力學方程，還是沒有跳出物理規(guī)律和牛頓力學。也就是說彈性動力學方程不僅可以解釋地震波問題，同時也可以解決許多我們過去不理解、不知道如何去解決的許多問題。研究基于動力學破裂的模擬，提供了對地震物理學研究的新觀點，許多問題都可以開展進一步的挖掘研究。

2 變形特征與動力學過程

作為世界屋脊的青藏高原是如何形成的，一直都存在很大的爭議。眾所周知，地球的演化過程就是超大陸周期性裂解和聚合的歷史。青藏高原碰撞影響整個亞洲板塊運動的模式，青藏高原巖石圈的變形與其運動模式密不可分。巖石圈作為地球的外層固化層圈，包括地殼和巖石圈地幔，是記錄地球演化歷史的天然“檔案館”[81-82]。地幔柱和地殼隧道流是地球不同圈層物質和能量交換的有效通道，而由此引發(fā)的殼幔物質循環(huán)主宰了地球從內而外的演化進程[83-85]，也為研究陸—陸碰撞造山運動的動力學演化過程提供了更好的途徑。

2.1 古地幔柱作用

地幔柱活動和大火成巖事件與大陸裂解、全球氣候變遷、生物滅絕事件、磁極倒轉和一些大型礦產資源的形成均有密切的聯(lián)系[86-89]。地幔柱假說認為其是源于核幔邊界或上下地幔邊界的熱異常物質，其隱含的巨大能量導致地幔的大規(guī)模熔融[74]和大火成巖省的形成[90-94]。

中國西南滇川黔地區(qū)，即揚子克拉通西緣，地表出露大面積二疊紀玄武巖，地質上命名為峨眉山大火成巖省。峨眉山大火成巖省不僅是中國境內第一個獲得國際學術界廣泛認可的大火成巖省[95]，也是全球范圍內研究程度最高的大陸溢流玄武巖省之一[96-97]。楊啟軍和徐義剛[98]通過對滇西晚中生代以來巖漿作用的研究，得到該地區(qū)巖漿分布的趨勢，可能是一個旋轉的拉薩地塊在此處的分布，進行了強烈的縮短[99]。在高黎貢帶沒有找到與岡底斯帶匹配的巖石類型，推測其應該分布在緬甸地區(qū)[100]。在藏東地區(qū)巖漿不斷匯聚，不斷在縮短，出現(xiàn)了板內的巖漿。而板內巖漿的微量元素特征表明，該地區(qū)是相對薄的巖石圈，與拉薩地區(qū)巨厚的巖石圈形成鮮明的對比。關于板內巖漿的產生機制有3 種假設[98,101]，其一是由重力導致的造山帶垮塌，軟流圈上涌，而后巖石圈減薄；其二是較為流行的巖石圈根的對流減薄學說；其三是新特提斯洋俯沖的時候，陸洋部分產生的斷裂。對揚子西緣深部巖石圈的研究，結合巖漿的作用和地幔各向異性方法，發(fā)現(xiàn)漸新世超鉀巖漿和二疊紀峨眉山玄武巖產生于同一區(qū)域，漸新世超鉀巖漿來自于富集巖石圈地幔，峨眉山玄武巖來自高溫地幔柱[102]。地幔柱活動會將原先存在于巖石圈地幔中的富集、低熔點組分消耗掉。由于富集地幔不能在短時間內形成，因此，揚子西緣富集巖石圈地幔是外來的。

大火成巖省現(xiàn)今所處的位置與地幔柱之間的空間位置不再對應，以及與地幔柱作用有關的熱結構喪失[95]，再一次引發(fā)了思考。一般認為，板塊是漂移的，而地幔柱是相對固定的[100]。前人基于沉積地層學、巖石地球化學等系列證據提出了大火成巖省的“地幔柱頭熔融”成因模型[95,103-105]。古地幔柱所預示的是來自地球深部大規(guī)模炙熱巖漿在穿透上覆板塊過程中，所留下的結構及組分變化的“遺跡”，而運用地球物理的方法很難區(qū)分過去和現(xiàn)今重大地質時間的作用和效應，這也是造成地球物理探測古老地幔柱困難的根本原因[105-107]。徐義剛等[95,104]及陳赟等[96]集成利用人工源地震、天然源寬頻帶地震探測，以及密集重力/地磁剖面測量等綜合地球物理手段探測“古地幔柱”作用，并建立了鑒別古地幔柱“遺跡”的物理性標志，包括：與古地幔柱巖漿作用有關的深部過程，在固化地球本體中所保留的殼幔結構特征響應、物性特征響應和動力學屬性特征響應。

大火成巖省的形成一般經歷了漫長的地質歷史時期，是各種地質作用及其效應的時空復合疊加，蘊含了豐富且復雜的信息。因此，在利用地球物理探測和鑒別古老的地幔柱作用及效應時，厘清研究對象的時空位置變化，通過幾何結構—物性結構—動力學屬性參數(shù)之間的聯(lián)合約束，以及與地球化學、地質學研究成果的有機結合，可以更好地開展巖石圈精細結構重建和動力學屬性分析工作。在峨眉山大火成巖省研究中取得了一系列成果，其研究思路與方法對其他古地幔柱作用“遺跡”的識別具有重要的借鑒意義[96,108-111]。利用地球物理探測鑒別古老重大地質事件作用“遺跡”，不僅能可靠地揭示出與其作用有關的大規(guī)模巖漿活動導致的地殼結構和組分變化以及深淺響應過程等，而且顯示了綜合地球物理方法、不同學科交叉融合在重建古老重大地質事件深部過程方面的巨大潛力；更是將地球內部運行機制和過程、資源和生物環(huán)境效應等多個地學前沿研究領域有效的關聯(lián)起來[104]。

2.2 隧道流與擠出型造山

現(xiàn)今，印度板塊仍在持續(xù)地向青藏高原匯聚，這個碰撞過程是正在發(fā)生的，稱之為同碰撞。許志琴等[112]探討了同碰撞過程的兩大問題：如何追溯同碰撞的大陸深俯沖與造山過程？碰撞過程中陸殼的流變性質如何影響俯沖和折返？

眾所周知，用地球物理手段檢測到印度板塊的巖石圈俯沖到青藏高原巖石圈之下，同時喜馬拉雅又在造山，這是一個陸陸匯聚邊界的構造作用。結合地球物理觀測結果以及動力學模擬結果，從構造地質學上看，宏觀尺度俯沖板片的幾何學、運動學和動力學是什么樣子的，那就需要去觀察典型造山帶路透尺度的斷層（剪切帶）和褶皺的發(fā)育，把造山帶的剝露與沉積盆地的形成結合在一起，判斷造山帶的隆升歷史。

印度大陸與歐亞大陸的碰撞過程，印度大陸巖石圈地幔巨量俯沖進亞洲地幔，不僅壓縮了亞洲大陸地?？臻g，而且擾動深部熱的地幔軟流圈，驅動俯沖上盤的深地幔物質進行跨圈層循環(huán)，同時引發(fā)漂浮的剛性巖石圈變形，并控制造山帶地殼流變的溫度[19,113]。喜馬拉雅造山帶核心部位的高喜馬拉雅造山帶出露的巖石顯示，曾經進入深部中下地殼的“構造—變質—巖漿”熱體制中，后期經歷折返、隆升和冷卻過程[112]。Beaumout 等[19]用隧道流模型解釋這個演化過程，沿主中央沖斷裂（MCT）的南北向縮短和沿藏南拆離系（STD）的伸展同時發(fā)生，藏南花崗片麻巖穹隆的形成，地殼部分熔融，在高喜馬拉雅和低喜馬拉雅的變質作用的時間及特征，以及在喜馬拉雅南坡的快速剝蝕，橫跨主中央逆沖斷裂的不同原巖的疊置，即變質向的倒轉特征，以及縫合帶應該在更北邊的位置。一些學者認為“地殼隧道流”模式能很好地解釋高喜馬拉雅造山帶的形成[103-115]。

隧道流的存在是有標志性特征的。我們知道隧道內巖石黏度很低，所以在野外應能觀測到大量的混合巖和侵入的花崗巖。隧道流模型的關鍵，首先要有物質基礎，需要中下地殼存在低粘度物質，然后需要一個驅動力，即高原和前陸之間的地殼厚度差；集中在高原邊緣的地表剝蝕[116-117]。隧道流存在兩種不同的端元模型[118]：第一種是粘性流體在相對運動著的兩平行平板間的層流，作用在流體上的剪切力在管道內形成統(tǒng)一的旋度；第二種是受隧道內壓力梯度的作用，粘性流體在固定板之間流動，隧道中心流動速度最快，隧道上部和下部具有相反的剪切動向。

喜馬拉雅造山作用早期為彌散性形變，直到中新世才將應變集中到主中央沖斷裂和藏南拆離系。中新世以來高喜馬拉雅的折返主要由主中央沖斷裂和藏南拆離系控制，斷層逐漸向南擴展，現(xiàn)在集中于主邊界逆沖斷裂和主前鋒逆沖斷裂。許志琴等[119]在對比了大別—蘇魯造山帶后，認為高喜馬拉雅的折返與印度大陸俯沖和造山帶地殼加厚同時發(fā)生：俯沖管道中的三維變形是一般剪切（簡單剪切+純剪），高喜馬拉雅上部近東西向的伸展廣泛分布，下部的高級變質作用、深熔作用和向南的逆沖可以追溯到創(chuàng)新世。

喜馬拉雅造山帶地殼里，存在中上地殼和下地殼之間的解耦，意味著會有物質進行折返，即形成隧道流[112,120-121]。這種顯現(xiàn)的出現(xiàn)是由于對于一個給定速度和寬度的俯沖板塊，隧道物質存在一個臨界黏度。當小于該黏度的隧道流將抵消剪切力并形成回流和物質的折返；隧道內仍然由剪切力主導的部分將繼續(xù)俯沖。由于其應變主要集中在強烈變形的隧道內，意味著隧道內是透入性變形，且變形帶很寬。隧道中的物質流動以擠出為主，上下邊界同時活動且剪切旋向相反，上邊界為正斷層剪切帶，下邊界為逆斷層剪切帶。有時候上邊界的運動指向可以出現(xiàn)反轉，例如早期表現(xiàn)為俯沖，晚期表現(xiàn)為伸展。在下邊界里會出現(xiàn)變質向的一個倒轉，由于有深部的東西逆沖到相對淺部的地方，即高級變質向疊加在低級變質向的變質倒轉作用。在喜馬拉雅造山帶主中央逆沖斷層上，具有變質向倒轉的特征標志。

在23—17 Ma 之間，由于MCT 的逆沖和STD 的拆離同時發(fā)生，促使高喜馬拉雅的快速擠出，并在印度大陸北緣形成特提斯喜馬拉雅（THC）、高喜馬拉雅（GHC）和低喜馬拉雅（LHC）[120]。在這造山運動中形成的巨型高熱流帶之內的下地殼被深部熱流加熱，處于高熱狀態(tài)并最終發(fā)生塑性流變和地殼深熔，誘發(fā)了大規(guī)模走滑—剪切活動，進而促使高原側向擴展與物質側向移逸[112]。之后的10—5 Ma 在青藏高原東南緣，騰沖地體基底和泥盆—石炭紀沉積蓋層之間產生中新世的滑脫剪切帶，并與兩側鄒華剪切帶相耦合；與此同時，拉薩地體向南東擠出（大規(guī)模逃逸）也與走滑剪切帶鏈接，構成“側向擠出造山帶”[112,122-123]。

可見，隧道流模型對研究陸陸碰撞造山帶及青藏高原的演化都具有重要的意義。但青藏高原深部地殼為什么可以形成大規(guī)?；蚓植康乃淼懒?？地殼各個深度層次巖石的流動強度如何隨地熱結構與時間變化？青藏高原隆起到什么高度才在其東南緣和東源發(fā)生地殼的擠出逃逸？這些問題都有待更進一步的研究探討。

3 構造地質與碰撞生長過程

青藏高原有最高的海拔（>4000 m）、最厚的陸殼（65—80 km）、巨大的物質匯聚（1 500 km）和宏大的陸內變形（3000 km），以及和其他高原所不同的是大量注入的幔源巖漿。青藏高原是如何生長成如此巨型的造山帶？青藏高原是個復合的造山帶，早期經歷了特提斯的俯沖，將一些地體進行拼貼，構成了歐亞大陸的南緣，新生代印度大陸與歐亞大陸的碰撞，最終形成了青藏高原[124]。

青藏高原的碰撞過程可分為三段式，第一階段發(fā)生在65—41 Ma 之間，同碰撞陸陸匯聚過程，在這個時期發(fā)育的是同碰撞的巖漿活動，地殼縮短加厚還有相應的俯沖折返變質作用[33]；第二階段發(fā)生在40—26 Ma 之間，經歷的是一種晚碰撞的構造轉換，是以大規(guī)模的逆沖推覆走滑剪切碰撞，鉀質殼和幔巖漿的活動導致盆地的形成和流體活動[34]；第三階段發(fā)生在25—0 Ma 之間，后碰撞地殼東西延伸，巖石圈熱熔，產生鉀質超鉀質巖漿。三個階段的碰撞過程，每個階段都經歷了從擠壓到應力松弛，或逆沖推覆到走滑剪切的過程，深部有不同的過程[113]。

3.1 大陸碰撞與高原隆升過程

印度與歐亞大陸碰撞方式和過程的爭議主要集中在碰撞是兩階段還是單階段，兩階段碰撞模式可以進一步概括為洋內俯沖模式和大印度盆地模式。洋內俯沖模式認為，新特提斯洋的消亡是洋內俯沖和沿拉薩地塊南緣俯沖共同作用的結果[125]。洋內島弧模式中的關鍵證據一直都備受質疑[126-128]。相對于兩階段碰撞模式，丁林等[125]更認可單階段碰撞模式，這種模型符合一系列沉積、構造、變質和巖漿作用[121]。大陸俯沖與碰撞誘發(fā)的巖漿活動具有殼源與幔源共生的復雜巖漿組合，形成一條延綿數(shù)千公里的巨型鉀質巖漿帶[129-131]。單階段模式認為，印度—歐亞碰撞是新特提斯洋大洋巖石圈沿歐亞大陸南緣俯沖消亡的結果，不發(fā)育洋內俯沖帶和島弧，因此，當這唯一的一條俯沖帶關閉之后，印度大陸北緣和歐亞大陸南緣直接接觸和碰撞[124,132-133]。

21 世紀以來，國內外科學家掀起對青藏高原隆升的新研究和新認識的熱潮，目前也形成了很多理論模型。其中3 種模型比較流行，第1 種是側向生長模型，青藏高原從南部拉薩地塊在始新世最先隆升，逐漸向北部擴展到羌塘地塊、可可西里—松潘甘孜地塊以及祁連山地區(qū)[112]；第2 種是“原高原”模型，認為青藏高原在始新世（45—35 Ma）就存在著古高原，即“原高原”，由拉薩和羌塘地塊組成，漸—中新世可可西里—松潘甘孜地塊以及祁連山相繼抬升，晚中新世喜馬拉雅山最后抬升[134]；第3 種是“山—原”模型，認為拉薩地塊岡底斯山脈和羌塘地區(qū)中央分水嶺山脈在古新世—始新世期間隆升，兩條山脈中間形成相對低海拔的古尼瑪—倫坡拉[135]。丁林院士團隊支持第3 種模型，認為在青藏高原有一些原始的高大山脈（岡底斯山、青藏高原中央分水嶺山脈等等），這些巨大的山系通過盆地的縮短、剝蝕夷平而形成現(xiàn)今統(tǒng)一的高原[67,136-137]。宋曉東團隊提出了一個青藏高原的階段式增長模型，變形模式在不同階段而不同[134]：在早期，高原的增長主要來自不均勻的地殼擠壓增厚；而在后期，弱化的中下地殼則發(fā)生局部流動，且沒有一致的方向。而在東南高原邊緣，軟流圈上升可能提供了一種附加機制，以解釋其隆升及地幔各向異性與地表變形的差異。

到20 世紀末期，青藏高原經過了3 次抬升和2 次夷平開始了整體的隆升，但是缺少絕對高度的控制[138-145]。在100 Ma 之前，岡底斯山還處于被海水覆蓋的位置。100—65 Ma 之間，新特提斯俯沖，岡底斯巖漿變厚，地殼縮短和巖漿侵入，然后逐漸隆起和快速侵蝕。在75 Ma 時佘興谷達到2 500 m 的高度，而岡底斯山是非常緩慢的隆升。在65—52 Ma，印度—亞洲碰撞，岡底斯巖漿抬升至4 500 m，而喜馬拉雅山仍接近海平面。在60 Ma 之前喜馬拉雅所在的地區(qū)處于海相狀態(tài)，是新特提斯殘留海的海底。在55 Ma 柳區(qū)盆地所在的位置，已經達到1 000 m 的高度；26 Ma 恰布林所處的位置已經隆升到2 300 m，之后喜馬拉雅山經歷了快速的提升。在20 Ma 以來，岡底斯所在的位置發(fā)生了南北向的裂谷，局部的高度還大規(guī)模的下降。到15 Ma 的時候，喜馬拉雅山的主體已經超過了5 500 m，這時候他的高度已經超過了岡底斯山的高度。新生代晚期（12—10 Ma）發(fā)生的準同期構造變形是最重要的地質事件，導致山脈隆升和盆地消亡，使其成為青藏高原最新的組成部分，最終奠定今日之地貌格局[146]。

3.2 高原生長演化與資源環(huán)境效應

青藏高原地球系統(tǒng)是全球最重要的地質—地理—資源—生態(tài)耦合系統(tǒng)。青藏高原的隆升對環(huán)境產生了非常重要的影響[147]，在青藏高原的東部有一個大的季風系統(tǒng)，包括印支半島和我國的東部地區(qū)，特別是華南地區(qū)。這個季風系統(tǒng)與青藏高原的隆升有巨大的關聯(lián)。如果沒有青藏高原，那么我國的長江中下游地區(qū)包括華南，將會和地球上同緯度地區(qū)一樣變成沙漠氣候。4 400 萬年前，在印度大陸向北俯沖作用下，青藏高原東部地區(qū)由海拔700 m 的沙漠，快速隆升為海拔3 800 m 的森林。

丁林研究團隊[148]利用多種定量指標重建青藏高原分水嶺山脈東段的隆升歷史。青藏高原分水嶺山脈橫亙于青藏高原中部，從東向西主要包括橫斷山、唐古拉山和喀喇昆侖山，是太平洋水系和印度洋水系的分水嶺，也是世界屋脊的“脊梁”，橫斷山作為青藏高原分水嶺山脈的東段，縱貫于青藏高原東南緣，海拔高度從南向北不斷上升，是南亞季風暖濕水汽順勢北上的重要通道，其獨特的生態(tài)環(huán)境也讓橫斷山演化為世界生物多樣性的熱點地區(qū)。而貢覺盆地位于橫斷山北部，代表著藏東南地區(qū)5 400 萬年前還是一片炎熱干燥的低海拔沙漠，形成了大規(guī)模的風成沙丘沉積，受西風帶氣候控制，生長著代表干燥氣候的棕櫚植物群[149]。4 400 萬年以后，藏東南地區(qū)抬升至與現(xiàn)今相似高度，伴隨著地勢抬升，季風氣候開始在該地區(qū)起主導作用，氣候變得較為濕潤，出現(xiàn)高山森林。隆升的同時也可能造成中國東部地區(qū)古氣候和古生態(tài)環(huán)境轉型，伴隨南亞季風加強，使長江中下游地區(qū)從晚白堊世—早新生代的沙漠氣候環(huán)境演變?yōu)榕c現(xiàn)今相似的魚米之鄉(xiāng)[150]。Boos 和Kuang[151]認為，不論青藏高原存在與否，亞洲季風都會發(fā)生，但位置偏南，不超過20°N。青藏高原的存在，使季風北上，同時強度增強。青藏高原吸收大量太陽的輻射，其表面溫度非常高，對大氣產生巨大的加熱作用，向赤道方向移動，在赤道附近下降，穿過印度洋攜帶大量的水汽，再到青藏高原的南緣，形成這樣一個大的季風環(huán)流。隨著喜馬拉雅山脈的隆升，青藏高原上空南亞季風的投射在喜馬拉雅山北坡，在亞洲西部循環(huán)使華南地區(qū)保持濕潤。

青藏高原分水嶺山脈在4400 萬年前的形成、隆升對青藏高原乃至整個東亞地區(qū)的古環(huán)境格局都有重要的影響。揭示青藏高原東南部從低海拔沙漠到高海拔森林的重大環(huán)境轉變，可以更好地探討青藏高原隆升對于亞洲季風格局和區(qū)域環(huán)境類型演化的驅動作用。張培震團隊通過對新生代構造變形和侵蝕—沉積作用的研究，發(fā)現(xiàn)青藏高原晚中新世（10—12 Ma）構造變形塑造的地形起伏，為后期氣候變化導致侵蝕和沉積速率增加提供了地貌條件；提出冰期—間冰期全球氣候大幅度波動導致2—4 Ma 間沉積速率突然增加，形成著名的“磨拉石”建造，作為學術“亮點”被國內外學者廣泛引用[149,152]，極大地推動了構造變形與氣候變化相互作用研究領域的進展。

3.3 新構造活動與地貌演化

近些年高原山脈隆升機制、造山帶演化模式的研究關注地殼演化過程的地表過程證據，地表過程的研究也由定性化轉變到半定量—定量化階段。研究切入點是地殼形變、氣候演化等的標志性載體，即地表地形地貌。

青藏高原是印度板塊與歐亞板塊新生代以來匯聚碰撞的結果，同高原主體平坦的地形相比，高原東緣、東北緣的地貌表現(xiàn)出強烈的陡變和突變性特征，而相對于青藏高原的南北邊界而言，又具有較為彌散和不規(guī)則等特征[153-154]。另外，造山帶系統(tǒng)內部水系發(fā)育的模式及其對構造隆升、氣候變化的響應和反饋作用一直以來是構造地貌和河流地貌研究的熱點。同時，數(shù)字高程模型（DEM）空間分析技術已被廣泛地應用于定量地貌研究，如基本地形分析和古地形面（Paleo surface）恢復重建以及剝蝕量的定量化研究[155]。

張會平教授討論了在青藏高原東緣以及東北緣現(xiàn)今差異地貌特征的基礎上，重點選擇青藏高原東緣岷江水系流域、青藏高原東北緣貴德—循化盆地地區(qū)為分析對象，通過系統(tǒng)提取岷江水系流域相關流域地貌參數(shù)（如亞流域盆地面積、周長、溝谷總長度和分支比）和河流縱剖面形態(tài)等定量參數(shù)，以及貴德—循化盆地地區(qū)更新世古地貌形態(tài)和剝蝕量的分布形式等研究，最終得到如下結論和認識：①青藏高原東緣與東北緣的地貌具有顯著的差異性。在高原東緣地區(qū)，龍門山—岷山構造帶與四川盆地之間構成顯著的地形陡變帶，造山帶內部表現(xiàn)為高坡度、高地形起伏，岷江和嘉陵江兩大基巖水系侵蝕下切作用明顯，溝谷地形波長小。而青藏高原東北緣地區(qū)主要表現(xiàn)為地形高程呈逐漸遞減的趨勢，沒有明顯的地形陡變邊界，總體為低坡度、低地形起伏，剖面反映地形波長較高原東緣地區(qū)變長，地貌上以寬緩的新生代盆地廣泛分布為典型特征。②岷江亞流域盆地典型參數(shù)特征指示了岷江水系兩側晚新生代構造活動的差異性，反映并印證了岷江斷裂東西兩側晚新生代以來的不均衡抬升。晚新生代以來，岷山構造帶的快速隆起以及龍門山構造帶內部差異活動是造成岷江水系東側各支流發(fā)育程度低，東西兩側亞流域差異地貌特征形成的主要原因。岷江流域盆地內部區(qū)域地形起伏發(fā)育特征表明，岷山—龍門山構造帶與四川盆地之間的差異隆升導致了持續(xù)遞增的河流勢能差，因此，也就形成現(xiàn)今由北向南地形起伏逐漸增大的特征。微觀來看，局部盆地地區(qū)后期地表剝蝕與沉積過程“削高填低”的作用控制了整個流域盆地內部局部低起伏地貌特征。③通過對青藏高原東北緣貴德—循化盆地地區(qū)更新世古地貌形態(tài)的恢復以及剝蝕量定量分析研究，詳細總結歸納了關鍵技術及方法，并建立了相關工作流程。④以恢復的古地貌面為基礎，對宏觀尺度的古地貌形態(tài)（盆嶺格局）和剝蝕量分布以及微觀尺度典型地區(qū)（如湟水河）進行了分析和討論，特別是有關湟水河河道變遷和河流下切（剝蝕）量分析為高原東北緣的垂向構造變形提供了一定的資料補充[156-157]。

4 結語

新生代以來，隨著印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞，青藏高原快速隆升并向外擴展，塑造了宏偉壯觀的喜馬拉雅造山帶，以及一系列構造變形強烈、地貌起伏巨大的盆—山體系。青藏高原及其周緣的形成及演化，伴隨發(fā)生了強烈的構造、巖漿、以及變質作用，在其內部形成了大型斷裂體系及巖漿巖帶和變質巖帶，是研究不同時期、不同階段結構演化過程與深部動力學的天然實驗室。

隨著地球物理探測手段和分析處理技術的不斷發(fā)展，對較為成熟的背景噪聲成像、地震深部探測、地震各向異性的分析方法進行改進，融合巖石學、構造地質學、地球化學和大陸動力學等不同研究方向，結合近些年在青藏高原及周邊的研究成果，針對第八屆青藏高原東部構造與地球物理研討會的12 場學術報告，對青藏高原及其周邊地區(qū)巖石圈結構、變形機制及物質運移動力學模式等關鍵問題進行了較為系統(tǒng)的討論。會議報告還就青藏高原的隆升演化過程和其對資源氣候的影響相關研究，是將地球深部動力學、地表過程和氣候變化等不同圈層的相互作用有機地聯(lián)系在一起。如此跨學科多尺度不同手段技術相結合，才能全方位的認識青藏高原的隆升演化、碰撞和擴展深部過程及其時空轉換、大陸內部變形機制和方式。然而，該區(qū)域地質構造的復雜性、多樣性，以及在各種周邊外部動力作用下，仍有大量的研究工作值得進一步深入研究和探討。