青藏高原是大陆中分布最宽、活动最强的构造形变带。自印度板块和欧亚板块在约70 Ma(Yin,2000)前碰撞以来,这个地区发生了强烈的构造变形,造成地壳缩短、岩石圈增厚、高原隆升及喜马拉雅山崛起。如果说雅鲁藏布江、班公—怒江、金沙江等近东西向分布的缝合线是高原形成前特提斯演化的痕迹,那么这些近南北走向的伸展构造(有人称之为裂谷系或正断层体系)是青藏高原南部最显著的构造特征。这种伸展构造由正断层构成的地堑和半地堑体系构成,其形成机制、深浅部构造关系是认识青藏高原形成与演化的关键问题,是研究青藏高原隆升机制与动力学过程所要依据的基础信息。

青藏高原是研究陆-陆碰撞的理想的天然“实验室”,尤其是藏南地区,它地处欧亚大陆碰撞的前缘,变形强烈,裂谷系发育。使用不同的地球物理方法探测藏南裂谷系深部结构与构造,研究两大板块的碰撞过程及其影响,揭示高原隆升演化的动力学机制,对板块构造理论的发展,尤其是阐明大陆内部造山活动与演化过程等大陆动力学的理论问题具有重大意义。

在藏南发育有大型、超大型金属矿床。这些金属矿床的形成无不与藏南裂谷系的形成与演化有关。藏南自然条件优越,生活着各民族的同胞,但生态环境日趋严峻,地震、地质等各种自然灾害频发,对当地民众的生命财产造成巨大的威胁。因此,开展藏南地区,尤其是藏南裂谷系的壳幔结构与地球动力学研究,为开发资源、减轻灾害、保护环境提供基础理论支撑,具有重大的现实意义。

藏南裂谷系与青藏高原隆升或垮塌的关系越发受到人们的关注,其成因机制存在争议,是由于南北挤压下物质东逸而产生的壳内拉张,还是高原隆升到最大高度后的垮塌(Coleman,Hodges,1995)仍不很清楚。

印度板块与欧亚板块的碰撞使得青藏高原成为全球地壳活动最为剧烈的地区,并在第四纪期间被多条巨型边界断裂带分割为多个变形特征明显不同的构造变形域。藏南裂谷系便是其中最为独特和显著的活动构造变形形迹之一(Coleman,Hodges,1995; Harrison et al,1995; Searle,1960; Seeber,Pêcher,1998; Yin,2000; Hurtado et al,2001; Zhang et al,2002,2007)。藏南裂谷系是区域构造变形由近南北向挤压转变为近东西向伸展之后的产物,大致被局限在南部的喜马拉雅山前逆冲断裂带与北侧斜列分布的喀喇昆仑—嘉黎大型走滑断裂带之间(Armijo et al,1989; Tapponnier et al,1981)。藏南裂谷系的形成时间大概为8～23 Ma,虽然不同裂谷系的活动时间略有不同,但在同一裂谷系的不同位置测得的裂谷系活动年龄接近,表明藏南裂谷系是受相同机制控制的。整体上,除了亚东—谷露裂谷系活动时间较晚外(8～10 Ma),其它裂谷的活动时间都较早,为13 Ma左右。

如图1所示,在藏南从东至西依次分布着桑日—错那裂谷、亚东—谷露裂谷、申扎—定结裂谷、尼玛—定日裂谷、隆格尔裂谷5个裂谷系。这5个裂谷系中,最东部的桑日—错那裂谷系主要发育在喜马拉雅地块内,而其余4个则穿过了雅鲁藏布江,同时切割了喜马拉雅地块和拉萨地块,它们的南端切割了藏南拆离系,到达高喜马拉雅(丁林等,2006)。另外,这些裂谷系还是现今浅源地震发育区(贺日政,高锐,2003),也是晚新生代岩浆活动集中的地带,从而与金属矿床密切相关(Hou et al,2004)。

图1 青藏高原伸展构造示意图(据Zhang et al,2002)
Fig.1 Sketch map of extensional in Qinghai-Tibet plateau and the location of the studied area(based on Zhang et al,2002)

2015年4月25尼泊尔大地震发生在喜马拉雅造山带的南坡,其发震机制是人们关注的重要问题,该地震的发生是否与藏南裂谷系有关是新的研究课题。

在中科院青藏高原研究所ANTILOPE计划的总体框架下,笔者所在课题组先后完成了ANTILOPE-I和ANTILOPE-II剖面的数据分析。由图2可看出,沿ANTILOPE-I和ANTILOPE-II剖面印度向欧亚板块之下俯冲的形态发生了明显的变化(Zhao et al,2010)。沿ANTILOPE-I,印度板块板块向北先以高角度、再以低角度、再以高角度俯冲于青藏高原之下,其北端达塔里木盆地; 而沿ANTILOPE-II,印度板块以高角度向北俯冲,它的北端终止于班公—怒江缝合线附近。那么,由ANTILOPE-I到ANTILOPE-II的岩石圈尺度的构造差异是渐变,还是突变?若是突变,那么这个突变部位与藏南裂谷系是否一致,与尼泊尔大地震发生是否有关系?

Nábelek等(2009)沿85°E剖面(图3)研究结果表明,印度板块俯冲至喜马拉雅地体下,印度板块俯冲前缘与亚洲板块向南挤压相结合。沿92°E剖面(图4),显示印度板块俯冲至喜马拉雅地体下发生了拆沉,在深度200 km处俯冲向北延伸突然停止(Shi et al,2015)。对于青藏高原壳幔流变性的问题,自下地壳流模型提出以来就存在激烈的争论。在高原,究竟是下地壳流(Roydon et al,2009),还是整个岩石圈在流动(Zhao et al,2010)是需要澄清的,因为,二者所产生的地球动力学效果是不同的。

图2 ANTILOPE-I和ANTILOPE-II剖面分析(据Zhao et al,2010)
Fig.2 Analysis on ANTILOPE-I and ANTILOPE-II profiles(based on Zhao et al,2010)

图3 沿着85°E剖面(据Nábelek et al,2009)
Fig.3 Profiles along 85°E(based on Nábelek et al,2009)

图4 沿着92°E剖面(据Shi et al,2015)
Fig.4 Profiles along 92°E(based on Shi et al,2015)

关于藏南裂谷系的形成究竟是局部边界应力变化的产物还是高原隆升至极限高度的标志一直是青藏高原动力学研究的焦点问题之一(Molnar,Tapponnier,1978; 李吉均等,1979; Armijo et al,1986,1989; Harrison et al,1992; Coleman,Hodges,1995; Yin,2000)。

目前,关于藏南裂谷系的形成机制主要有以下几个观点:①增厚和抬升的大陆地壳的重力塌陷作用或高原岩石圈增厚至极限后地幔岩石圈的拆沉作用(Molnar,Tapponnier,1978; England,Houseman,1989; Harrison et al,1992; Coleman,Hodges,1995); ②近南北向强烈挤压作用下热而弱的下地壳物质的侧向流动(Lee,Whitehouse,2007); ③东亚上地幔的普遍上涌或亚洲板块东缘边界条件的变化(Yin,2000; Tian et al,2015; Liang et al,2016); ④印度板块斜向俯冲所产生的底部牵引力(Mccaffrey,Nabelek,1988); ⑤印度板块对欧亚板块的北北东向撞击作用导致西藏内部发生放射状张裂的结果(Kapp et al,2004); ⑥粘塑性的西藏高原地壳在刚性的印度板块之上的向南扩展作用或马蹄形的喜马拉雅造山带的弯曲拉张作用(Seeber,Pêcher,1998; Bendick,Bilham,2001); ⑦高原的不均匀侧向挤出或刚性块体向东横向挤出过程中沿共扼走滑断裂带的一侧或两侧所产生的局部拉张作用(Ni,York,1978; Armijo et al,1989)。

藏南裂谷系的形成机制与典型意义上的大陆裂谷可能不同。一般大陆裂谷不论主动式或者被动式,都是地表水平方向的2个方向相反的力同时拉张形成的。藏南的裂谷系形成机制可能不同,由于青藏高原的西边界被固定,在印度板块向北持续俯冲的背景下,高原内部物质普遍向东运移。ANTILOPE剖面研究(Zhao et al,2010)揭示,青藏高原是由3个碰撞板块构成,由南至北分别为印度板块、西藏板块和亚洲板块。西藏板块位于印度板块与亚洲板块之间,其形状宛如 向东张开的“喇叭”,且具有低速、高温的特点,在南北强大的应力作用下整体向东运动。上地幔的物质流动产生地壳拉张是藏南裂谷系形成的重要因素之一。地表GPS位移数据(Gan et al,2007)、地震震源机制(曾融生,孙为国,1992)和Pn波各向异性(Pei et al,2007)等资料都证明了这一点。最近,虚拟地震测深(Tian et al,2015)、远震体波走时成像(Liang et al,2016)、地震各向异性(Chen et al,2015)等研究得出印度岩石圈在青藏高原下方发生板片撕裂,板片撕裂、俯冲角度差异提供板片窗,诱发大规模热物质上涌,而大规模的热物质上涌引起了岩石圈的伸展,从而促使了裂谷系的发育。

截至目前,关于藏南伸展构造的性质与形成机理远没有达成一致的意见,其主要原因是缺少高精度的、综合的、大量的深部地球物理资料以及不同物性参数的约束。根据藏南伸展构造的深部结构与构造我们才有可能确定这些伸展构造的属性,如裂谷、地堑、半地堑、断裂等; 至于这些伸展构造的形成机理及动力学演化过程更是需要藏南深部地球物理资料的支持,因为每一种模型都意味着不同的深部结构特点。因此,在藏南地区横穿这些伸展构造完成一条高密度、高精度、综合的地球物理剖面,获得地壳与上地幔顶部的详细的信息,获得藏南伸展构造在空间上的分布图像,再结合地质学、地球化学等资料综合分析,确定这些伸展构造的属性与形成机制,为高原隆升与扩展的理论研究,为开发资源、减轻灾害、保护环境服务,为国家“一带一路”战略的实施保驾护航。