变质致密化解释大印度大陆地壳的消失之谜
王杨 张立飞 李忠海
印度-欧亚碰撞造山带是目前全球正在活跃的最大的陆陆造山系统，是研究大陆碰撞动力学及板块构造“登陆”的天然实验室（吴福元等，2008）。依据经典板块构造理论，大陆地壳尤其是低密度的长英质地壳，难以发生深俯冲，因此一般认为陆陆碰撞系统的长英质地壳物质是守恒的；然而前人关于印度-欧亚造山系统的物质损失计算表明存在近50%的大印度大陆的物质损失无法解释（Replumaz et al., 2010; Yakovlev et al., 2014; Ingalls et al., 2016）。这些消失的大印度大陆的地壳去哪了是目前印藏碰撞体系研究的关键科学问题之一。此外，大量的古地磁研究工作表明大印度大陆自碰撞以来一直维持较高的汇聚速度（van Hinsbergen et al., 2011），印度-欧亚板片间长周期、高速率汇聚的驱动力也是大陆碰撞动力学一个仍未探明的科学问题。
(资料图)
在国家自然科学基金委重大研究计划《特提斯地球动力学系统》的重点项目资助下，北京大学张立飞团队近年来在中喜马拉雅造山带厘定出了一条东西向延长200多公里的榴辉岩带，它西起定结的通门地区（Li et al., 2019），经定日的日屋（Wang et al., 2017），到东部的亚东地区以及与不丹西部接壤的边境地区（Wu et al., 2022），这条榴辉岩变质带是由麻粒岩化榴辉岩和榴辉岩相变质的蓝晶石云母片麻岩组成，它们形成时代为15-17Ma，是印度大陆板块持续向欧亚板块俯冲发生榴辉相变质作用形成。在此基础上，张立飞教授团队与中国科学院大学地球与行星科学学院李忠海教授合作，开展了印度大陆深俯冲数值模拟研究，计算了大印度大陆长英质地壳的物质损失量，并利用热力学计算与动力学模拟相结合的方法，进一步揭示了变质致密化对陆陆碰撞及大陆深俯冲动力学过程的影响，提出深俯冲超高压变质致密化导致的印度大陆的持续深俯冲作用可能是印度大陆长英质地壳物质消失的主要原因。该成果在线发表在最近一期《Communications Earth & Environment》上，北京大学博士、中国科学院大学在站博士后王杨为论文的第一作者，张立飞、李忠海为论文的通讯作者。
该项研究基于具有良好大印度大陆面积约束的重建结果（Yakovlev & Clark, 2014; Gibbon et al., 2012; Replumaz et al., 2010; Ingalls et al., 2016; Meng et al., 2019），在系统考虑地壳增厚，风化剥蚀及侧向逃逸作用后，物质均衡计算表明大印度大陆长英质物质损失量在1.36×107km3到5.04×107km3之间，即约20%-47%碰撞前的大印度板块的长英质地壳在印度-欧亚汇聚过程中发生缺失，大概率通过俯冲进入深部地幔。
俯冲大陆地壳的密度演化对于探讨陆陆碰撞带物质均衡及板片拖拽力具有重要意义。热力学计算结果表明俯冲的长英质地壳存在四次显著的密度增长（图1）；尤其在变质压力高于7-8GPa时，大陆上地壳的密度要比周围地幔的密度高~400 kg/m3，该深度下的岩石密度反转对于大陆深俯冲动力学研究是不可忽视的。为进一步探明变质致密化对俯冲大陆板片拖拽力的影响，基于热力学计算所获得的岩石密度结合板片热结构，本研究重新评价了从洋陆俯冲到陆陆碰撞转化阶段板片的驱动力（图2）。
图1. 俯冲大陆上地壳的三维P-T-ρ密度演化图，图中白色实线代表控制大陆上地壳密度增长的变质反应线，黑色字体代表矿物组合；结果表明大陆上地壳在超深俯冲时经历了4次显著的密度增长。
图2c展示了随着大洋板片持续俯冲被完全消耗后，在660km之上大洋地壳的拖拽力达到最大，约9.5×1012N/m。随后大洋板片拖拽大陆板片发生俯冲，假设在此阶段，大洋与大陆板片之间不发生断离，整个板片（大洋+大陆）的拖拽力（Ftotal）始终大于0，表明大洋板片也可拖拽大陆板片发生持续俯冲至深度地幔，甚至到达地幔过渡带。随着大陆板片持续俯冲，660km之上的大洋地壳的拖拽力FOC不断降低，最终至0。与此同时，大陆地壳自身的拖拽力FCC先降低后增加，在大陆板片俯冲至约90km处，其拖拽力最小（-1.6×1012N/m），随后由于大陆基性下地壳发生榴辉岩化以及长英质的中上地壳的石英和长石类矿物相变，大陆地壳的拖拽力不断增加。当大陆地壳俯冲到~170km的临界深度，整个俯冲大陆地壳的负浮力开始大于0，因此大洋和大陆板片发生断离的深度在170km之下，俯冲大陆板片可在自身负浮力的驱动下发生持续俯冲进入地幔深部，而无需大洋板片的拖拽。在660km之上，大陆地壳最大拖拽力可达4.5×1013N/m，表明变质致密化的大陆地壳也具有较大的板片拖拽力，这无疑对经典的板块构造理论提出了挑战。对于大印度大陆而言，20%-47%的俯冲大陆长英质地壳可产生~2.93-3.38×1013N/m的板片驱动力，足以维持印度-欧亚板片之间长周期、高速率的汇聚。
图2. 俯冲大陆板片的温度（a），密度差（b）结构图; （c）在上地幔深度，俯冲大陆地壳，大洋地壳，整个板片（大洋地壳+大陆地壳）的拖拽力演化，其中LCC是俯冲大陆板片的长度，LOC是660D之上俯冲大洋地壳的长度。
为了更好地理解大印度大陆长英质地壳在印度-欧亚碰撞过程中的俯冲-铲刮行为及大陆地壳超深俯冲动力学过程，本研究使用I2VIS数值模拟程序耦合计算的密度数据库进行岩石学-热-动力学数值模拟。图3c-d展示了不考虑变质致密化的模型结果，俯冲的低密度大陆板片的浮力与俯冲大洋板片的拖拽力相互竞争，导致碰撞速率不断下降，直至0cm/yr，最终板片发生断离，造山结束。图3e-h展示了考虑变质相变的模型结果，大洋板片在完全俯冲后，大陆板片在大洋板片的拖拽下以8.5cm/yr速度俯冲到地幔深部（图3h）；随着俯冲大陆中上地壳的长英质矿物相变及下地壳榴辉岩化（图3g），俯冲大陆地壳负浮力逐渐增大，陆-陆汇聚速率逐渐增大。此外，在陆-陆碰撞过程中，存在大量大印度板块的中上地壳进入俯冲通道并循环进入深部地幔，其物质通量占碰撞前大陆初始地壳物质量的~26%（图3h），这与本研究关于大印度板块的长英质地壳的物质损失量的估算是一致的。综合而言，本研究的岩石-热-动力学模型表明：大陆长英质地壳的深俯冲不仅可以解释大印度大陆长英质物质均衡问题，还可以解释印度-欧亚之间长周期快速率汇聚。
图3.（a）初始模型，两侧分别为俯冲的大印度板块和上覆亚洲板块，两者之间为俯冲的新特提斯大洋板块；（b）模型演化7 Ma后，陆-陆碰撞初始阶段，以此为后续研究的初始模型，取消固定速度的边界条件，板片在自身重力驱动下自由俯冲，模型1和模型2进一步采用两者不同的岩石密度结构；（c）（d）在不考虑变质相变情况下模型1的演化；（e）（f）考虑变质致密化的模型2的演化过程，（f）中插图展示存在大规模的长英质地壳的俯冲作用；（g）（f）中俯冲大陆岩石圈的密度结构图；（h）模型1和模型2中板片汇聚速率演化及俯冲长英质大陆地壳的物质量随时间的演化图。
详见原文：Wang, Y., Zhang, L. & Li, ZH. Metamorphic densification can account for the missing felsic crust of the Greater Indian continent.Communications Earth & Environment3, 166 (2022).https://doi.org/10.1038/s43247-022-00493-8. 研究成果受国家自然科学基金委《特提斯地球动力学系统》重大研究计划资助（项目号：91755206, 91855208）。
主要参考文献：（上下滑动查看）
吴福元, 黄宝春, 叶凯, 方爱民. 青藏高原造山带的垮塌与高原隆升. 岩石学报24: 1–30 (2008).
Wu, C., Zhang, L., Li, Q., Bader, T., Wang, Y., & Fu, B. Tectonothermal transition from continental collision to post-collision: Insights from eclogites overprinted in the ultrahigh-temperature granulite facies (Yadong region, central Himalaya). Journal of Metamorphic Geology 40(5), 955–981 (2022). https://doi.org/10.1111/jmg.12653
Li, Q., Zhang, L., Fu, B., Bader, T., & Yu, H. Petrology and zircon U–Pb dating of well-preserved eclogites from the Thongmön area in central Himalaya and their tectonic implications. Journal of Metamorphic Geology 37(2), 203–226 (2019). https://doi.org/10.1111/jmg.12457.
Wang, Y., Zhang, L., Zhang, J., & Wei, C. The youngest eclogite in central Himalaya: P–T path, U–Pb zircon age and its tectonic implication. Gondwana Research 41, 188–206 (2017). https://doi.org/10.1016/j.gr.2015.10.013
Ingalls, M., Rowley, D. B., Currie, B. & Colman, A. S. Large-scale subduction of continental crust implied by India-Asia mass-balance calculation. Nature Geoscience 9, 848–853 (2017). https://doi.org/10.1038/ngeo2806
Replumaz, A., Negredo, A. M., Guillot, S., Beek, P. V. D. & Villaseñor, A. Crustal mass budget and recycling during the India/Asia collision. Tectonophysics 492, 99–107 (2010). https://doi.org/10.1016/j.tecto.2010.05.023
Yakovlev, P. V. & Clark, M. K. Conservation and redistribution of crust during the Indo-Asian collision. Tectonics 33, 1016–1027 (2014). https://doi.org/10.1002/2013TC003469
van Hinsbergen, D. J. J., Steinberger, B., Doubrovine, P. V., & Gassmöller, R. Acceleration and deceleration of India-Asia convergence since the cretaceous: Roles of mantle plumes and continental collision. Journal of Geophysical Research 116, B06101 (2011). https://doi.org/10.1029/2010jb008051
美编：陈菲菲
校对：万鹏
关键词： 变质致密化解释大印度大陆地壳的消失之谜 大陆地壳
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