2022·中國科普月｜溫泉揭示了西藏下方大陸板塊碰撞的地方

通過分析200多個地熱泉的化學性質，研究人員確定了印度板塊在西藏下方的終點，揭穿了一些關于大陸碰撞過程的長期辯論理論。

在山建設的經典例子中，印度和亞洲大陸板塊崩塌，今天繼續碰撞，形成了世界上最大和最高的地質結構：喜馬拉雅山脈和青藏高原。

盡管這些地層通過大氣環流和季節性季風影響全球氣候，但專家提出了相互矛盾的理論，即地表下的構造板塊如何創造標志性龐然大物。現在，科學家利用225個溫泉的地球化學數據繪制了印度和亞洲大陸板塊之間的邊界，揭示了地表深處發生的過程。這些發現對礦物形成有影響，發表在當前一期的《美國國家科學院院刊》上。

斯坦福大學地球、能源和環境科學學院（斯坦福地球）地球物理學教授、高級研究作者Simon Klemperer說，地質學家的一個主要爭論是大陸碰撞是否看起來像海洋碰撞。由于測量太少，地震學沒有給我們答案——這就是為什么我將地球化學作為一種完全不同的測量方法。

Klemperer花了十多年的時間前往西藏和印度收集樣本，以支持他的理論，即冒泡到表面的化學物質可以用來了解50英里以下發生的事情。他和他的同事在山脈和高原上追蹤了數百英里的偏遠地熱泉——大約從加拿大到美國西部墨西哥的距離。

使用與其他化學物質不反應的惰性氣體氦，研究作者確定了哪些泉水來自每個大陸板塊。當氣體來自熱地幔（亞洲板塊）時，揭示了一個氦同位素特征，而另一個特征表明印度板塊要冷得多。研究表明，只有在喜馬拉雅山的南部，即喜馬拉雅山下方，才檢測到較冷的板塊，而在更北的地方，印度不再接觸到它上面的西藏——它被一楔子熱斗篷與西藏隔開。結果表明，印度板塊平躺在西藏下方的舊理論已站不住腳。

Klemperer說，令人驚訝的是，我們現在在100公里深的板塊邊界上方只有幾公里寬的邊界，這令人驚訝。

俯沖與碰撞

在海洋俯沖中，當更涼爽、更重的板塊潛入大陸板塊并下沉時，地下的材料被回收到地幔中。這個過程發生在火環等地區，火環以頻繁的地震和活火山而聞名。

在大陸碰撞中，研究人員假設，海洋地殼的俯沖將兩大洲拉近，直到它們碰撞，關閉了俯沖帶，以便進行山地建設。西藏下方大陸邊界的這一證據引入了大陸地殼釋放流體和融化的可能性——就像在海洋俯沖時發生的情況一樣。

Klemperer說，這說明我們不應該將大陸碰撞和海洋俯沖視為兩件不同的東西——我們應該將它們視為具有不同口味的相同事物，因為從幾何學上看，它們看起來是一樣的。

構造海洋變化

20世紀60年代，板塊構造理論通過解釋地質板塊如何相互漂移，導致山地建設、火山爆發和地震，徹底改變了地球科學。但研究人員對板塊為什么移動的方式知之甚少。

Klemperer說，這些新發現增加了一個重要的理解因素，對什么控制驅動板塊構造的對流具有潛在影響。他說，盡管這是一次大陸碰撞，但跳入地幔的印度板塊有助于控制對流模式——它改變了我們理解元素和巖石類型在地球上的分布和重新分布方式。

這項研究以之前的研究為基礎，Klemperer和他的同事使用地震數據對喜馬拉雅碰撞區進行了成像，并發現隨著印度構造板塊從南部移動，板塊最厚和最堅固的部分會下降到青藏高原下方，導致印度板塊撕裂。這些眼淚與溫泉中的氦氣通量位于同一位置。

Klemperer補充說，我們通過這些不同的鏡頭看到了相同的過程，我們必須弄清楚如何把它們放在一起。

礦物影響

自從西班牙人征服南美洲尋找黃金以來，文明們就知道安第斯山脈等地的礦藏豐富，這些礦藏是火環的一部分。西藏南部最近也被公認為一個礦產豐富的省份，擁有金、銅、鉛、鋅和其他礦床，僅使用舊的大陸碰撞模型很難解釋。

Klemperer說，最大的銅礦床發生在熱地幔楔融化產生的花崗巖中——如果它看起來像舊模型，這不應該發生在大陸碰撞中，但我們知道確實發生了，因為我們在西藏擁有所有這些礦物。我們的工作告訴我們大陸碰撞的大規模構造，并表明我們可能預計在大陸碰撞環境中看到與海洋俯沖環境相同的礦藏。

作為我們星球上唯一活躍的大陸碰撞，喜馬拉雅山和西藏也讓人們瞥見了其他山脈過去是如何形成的，將來可能形成的。

Klemperer說，澳大利亞剛剛開始與印度尼西亞區塊相撞——這是大陸沖突開始發生。西藏是需要解決的類型示例，我們希望它能像其他地方一樣了解地球上是如何發生的。

Klemperer也是地質科學教授。作為斯坦福大學博士生參與該項目的劉天澤是該研究的合著者。其他合著者來自中國科學院、俄亥俄州立大學、新墨西哥大學和斯克里普斯海洋學研究所。

這項研究得到了國家科學基金會、第二西藏高原科學探索研究計劃、中國科學院戰略優先研究計劃、國家地理和斯坦福國際辦公室的資助。

故事來源：

斯坦福大學提供的材料。原文由Danielle Torrent Tucker撰寫。注意：內容可以根據樣式和長度進行編輯。

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期刊參考：

Simon L。Klemperer、Ping Zhao、Colin J.懷特，托馬斯·H。Darrah，Laura J.Crossey，Karl E。Karlstrom、Tianze Liu、Carmen Winn、David R.希爾頓，林丁。印度在西藏下方的有限插孔：3 He/4 He對溫泉的分析定位了大陸碰撞中的地幔縫合線。美國國家科學院院刊，2022年；119（12）DOI：10.1073/pnas.2113877119

標簽： 大陸碰撞 印度板塊