喜马拉雅地壳加厚和隆升过程：变质地质学视角

【作者】 王佳敏； 吴福元； 张进江； Gautam Khanal； 杨雷；

【机构】 中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室； 北京大学地球与空间科学学院； Department of Mines and Geology Nepal Government； 成都理工大学地球科学学院；

【摘要】 喜马拉雅山的崛起促成了亚洲季风形成、改变了新生代地球气候,塑造了东亚及南亚地区宜居的自然环境,因此喜马拉雅山脉何时、如何隆升一直是地球科学研究的国际前沿和争论焦点。喜马拉雅山脉形成于印度-亚洲大陆碰撞,碰撞造山伴随的深部地壳加厚过程和效应是揭示其生长机制和时间轴线的重要内容。前人研究多集中于古高度计、低温热年代学、山脉隆升剥蚀产生的深海沉积等浅表过程研究,但对山脉隆升与深部动力学过程之间的耦合关系还缺乏刻画。反演造山带内变质岩的P-T-t轨迹,可为造山带地壳加厚和山脉隆升过程提供重要制约。针对此,笔者从变质地质学视角,应用构造变形解析、变质相平衡模拟、U-Th-Pb岩石年代学等手段,揭示深部地球动力学过程究竟如何主导喜马拉雅山的隆升:1)始新世地壳初始加厚、山脉初始隆升:作者对尼泊尔加德满都飞来峰中的混合岩化变泥质岩的研究表明,其进变质时代为始新世(44–38 Ma)、部分熔融时代为38–35 Ma、折返时代为渐新世,峰期温压条件最高为730–760°C和10.5 kbar(地温梯度～21°C/km),可与高喜马拉雅上部或顶部层位对比,是目前喜马拉雅最南部、最古老的变质深熔作用记录。中始新世地壳加厚引起的变质和深熔作用沿东西走向和南北不同构造单元(喜马拉雅前陆飞来峰、高喜马拉雅变质核、北喜马拉雅片麻岩穹窿)陆续被揭示,表明:(1)喜马拉雅的上地壳沉积物在印度-亚洲初始碰撞后不久(10–20Myr)就被加厚至>35 km的下地壳、并产生深熔作用(图1a),这一最早的地壳加厚事件与印度西北Subathu和尼泊尔Tansen等前陆次盆地记录的残留陆表海退却事件时代耦合,是喜马拉雅山脉在大约44–38 Ma初始隆升至海平面以上(～1500米)的诱因;(2)喜马拉雅从北至南各个不同构造单元一致的始新世变质和深熔记录,不支持印度-亚洲晚于始新世的二次碰撞。2)渐-中新世中上地壳大规模堆叠、有序向南楔形挤出,喜马拉雅山主隆升阶段:对聂拉木、吉隆-郎唐、玛纳斯鲁等多个剖面中的变泥质岩进行变质P-T条件和变质年代学剖面研究发现,原来被认为是单一岩片的高喜马拉雅内部,普遍存在两套变质岩片(图1b)。例如,在聂拉木地区,上部GHC岩片峰期变质温度较高(730–750°C)和部分熔融程度更高(15–25%,白云母脱水熔融),最早的进变质熔融开始于～32 Ma,峰期变质时代为30 Ma,大规模的部分熔融时代为30–25 Ma。下部GHC岩石则经历了较低的峰期变质温度(650–680°C)和较低的部分熔融程度(0–10%,饱和水固相线熔融),峰期变质时代为19–16 Ma。多个剖面广泛存在的P-T条件间断和变质年代穿时性表明藏南-尼泊尔地区高喜马拉雅内部存在一条延伸达～800 km的"高喜马拉雅逆冲断层"(HHT),其活动时代约为25–16 Ma,与藏南拆离系同时代活动。高喜马拉雅逆冲断层(25–16 Ma)向南与主中央逆冲断层(16–10 Ma)、主边界逆冲断层(<10 Ma)、主前锋逆冲断层(<5 Ma)等喜马拉雅一级构造边界,有序向前陆地区发育,构成背驮式逆冲推覆构造体系,是控制喜马拉雅造山带中上地壳加厚、造山带核部岩石折返、喜马拉雅山中新世快速隆升(4500-5000米)的根本原因。这也表明,大陆碰撞造山的中上地壳加厚挤出过程,是由临界楔主导的、而非隧道流。3)渐-中新世山根底垫加厚+岩石圈减薄——喜马拉雅山整体隆升的深部动力学控制:对珠峰东坡高喜马拉雅中的麻粒岩化榴辉岩及围岩(泥质麻粒岩)的研究表明,榴辉岩相峰期变质时间为～30 Ma、温压条件为730–770℃和～20 kbar(11℃/km);高压麻粒岩相变质时间早于～25 Ma、温压条件为800–850℃和15–17 kbar(15–17℃/km),对应地壳厚度为～60 km。此后,山根岩石经历了降压升温的P-T轨迹(升温幅度～150℃),最终在20–15百万年前遭受了6–11 kbar和900–970℃(～40℃/km)的超高温变质作用叠加改造。一维热模拟表明,该超高温变质作用可由加厚至～60 km的酸性地壳放射性生热(2μW/m3)和岩石圈减薄至<90 km共同产生。因此,喜马拉雅的山根在晚渐新世时已经通过底垫作用堆积了～60km的巨厚沉积物,接近现今喜马拉雅山根厚度(70–80km)。在中中新世,山根重力失稳而经历了局部拆沉和岩石圈减薄(图2),导致超高温变质作用产生。山根底垫是控制喜马拉雅山脉在中新世整体隆升的深部动力学诱因,而山根局部拆沉可能是珠穆朗玛峰山群中中新世快速抬升的诱因。综上所述,喜马拉雅山脉自印度-亚洲碰撞伊始,经历了三个重要演化过程:1)中始新世地壳初始增厚、山脉被抬升至正地形;2)晚渐新世-中中新世,山根加厚至接近现今厚度,伴随着中上地壳大规模缩短和堆叠挤出,喜马拉雅山主体隆升、接近现今山脉高度;3)中中新世山根重力失稳和局部拆沉可能控制了珠峰等局部极高海拔地区的形成。因此,变质地质学研究可为喜马拉雅的地壳加厚和隆升过程提供更加全面的制约和内动力理解,是揭示大陆碰撞和山脉隆升过程的强有力手段,是地球系统科学研究的重要方面。更多还原