NC：地幔風通過克拉通根部驅動新生代印度-亞洲板塊碰撞

Abstract 摘 要

板塊運動的驅動力一直是地球動力學研究的重要課題。Li等最新發表在Nature Communications上的研究通過全球地球動力學模型揭示，印度板塊持續北向運動主要由地幔拖拽力驅動（圖1）。該研究首次定量證明印度板塊的地幔拖拽力超過青藏高原重力勢能產生的阻力，為理解印度板塊碰撞的動力過程提供了關鍵依據。這一發現不僅解釋了印度板塊在失去俯沖板片拉力后仍能持續北向運動的機制, 也為理解青藏高原形成過程提供了新視角。研究表明，這一地幔拖拽力源于新特提斯俯沖板片在中地幔的南向翻轉以及東亞地區的俯沖板片堆積，形成了以青藏高原為中心的半球尺度地幔物質匯聚流場。

圖1 新生代印度板塊運動模式。(a-c) 印度及附近板塊于0,40與50Ma下的位置與形態，以及大洋年齡。（d）印度板塊運動速度在新生代的變化

印度與亞洲板塊的碰撞及其持續的北向匯聚運動是顯生宙最重要的板塊構造事件之一(Molnar and Tapponnier, 1975)。這一過程不僅導致了新特提斯洋的閉合、印度洋的形成，還造就了地球上最壯觀的地形特征之一——青藏高原。然而，在洋殼俯沖結束后，到底是什么力量持續驅動印度板塊向北運動一直是一個懸而未決的科學問題。傳統觀點認為板塊運動主要由俯沖板片拉力驅動（Forsyth and Uyeda, 1975），但這種機制難以解釋印度板塊的持續運動：由于缺少連續的大洋俯沖板片，板片拉力在印度大陸碰撞歐亞大陸（約五千萬年前）后基本消失；而洋脊推力，另一種較為明確的驅動力，則太小（約3×1012 N m?1），不足以克服青藏高原產生的巨大阻力（3~8×1012 N m?1；Ghosh et al., 2006; Molnar et al., 1993)。

為了解決這一難題，研究人員提出了多種假說。有學者認為可能是陸殼俯沖產生的替代性板片拉力在起作用（如Capitanio et al., 2010），但這與地震層析成像觀測到的印度巖石圈淺角度俯沖特征不符。也有人提出周邊板塊的遠場俯沖作用，比如蘇門答臘與爪哇的俯沖板片，可能通過板塊內部傳遞板片拉力至印度板塊（如Copley et al., 2010）。然而，由于印度板塊與南邊的Capricorn板塊以及澳大利亞板塊的運動方向基本平行，這種動力傳遞機制難以實現。最具可能性的解釋是來自流動地幔對巖石圈底部的拖拽作用，比如Becker and Faccenna（2012）的地幔傳送帶假說，但這一觀點此前缺乏定量的分析支撐。

通過建立全球尺度的數據同化地球動力學數值模型，Li et al. （2024）首次對新生代印度板塊運動的地幔拖拽力進行了系統性的定量研究。他們的模型不僅能夠重現觀測到的板塊運動歷史，還成功模擬了巖石圈-軟流圈耦合過程中應力的分布特征。特別是，模型揭示了地幔拖拽力主要集中在印度克拉通根部的西南邊緣（圖2），這一發現為理解板塊運動提供了新的視角。

研究將地幔拖拽力包含兩個關鍵組分進行量化：摩擦拖拽力和壓力拖拽力。由巖石圈底部剪切應力產生的摩擦拖拽力雖然遍布整個板塊，但在巖石圈厚度階梯處表現出明顯的集中效應（圖2a）。相比之下，壓力拖拽力則僅局限于巖石圈厚度階梯處（圖2b）。這兩種力的總和達到了1013 N m-1, 與傳統計算中的板片拉力量級相當，且大于維持青藏高原重力勢能所需的力。與傳統認知不同的是，盡管軟流圈黏度比巖石圈低幾個數量級，由于最大剪切應力出現在相對堅硬的巖石圈根部，對流地幔仍可以對板塊運動施加足夠大的驅動力。在一個完全自由演化的動力學模型中，驅動力完全取決于地幔中的浮力差異，因此力的作用與地幔的質量異常相守恒。但是在傳統給定邊界速度的動力學模型中，力則會受到軟流圈黏度的影響，從而導致不一樣的認識。除此之外，基于模型分析給出的應力分布，克拉通根部在板塊運動中扮演著比預期更重要的角色。

圖2(a) 印度板塊地幔摩擦拖拽力的分布，機制與大小；（b）壓力拖拽力以及北部邊界阻力的分布，機制與大小；（c）三種力，青藏高原重力勢能估計，以及板塊運動在新生代的演化過程

更為重要的是，研究揭示了驅動印度板塊運動的地幔流動模式是一個貫穿東半球的大尺度對流單元的一部分。該對流單元由三支地幔分流組成，其表現為上地幔的水平匯聚流（作者稱之為地幔風：其為水平向的流動，并由壓力差驅動，正如大氣中的風）（圖3）。該半球匯聚地幔風主要受控于東亞地區俯沖板片的堆積。而參與驅動印度板塊北向運動的這支風流則被南向翻轉的新特提斯洋板塊進一步影響，使其在印度板塊下方形成集中的低壓帶，形成了驅動青藏高原形成的“強風”（圖4）。這種獨特的地幔流動模式不僅解釋了印度板塊的持續北向運動，也為理解整個歐亞大陸周緣的構造演化提供了新的思路。

圖3半球尺度匯聚流三維示意圖。渲染的紅-藍體積為俯沖板片，顏色代表其現今所在的深度。標注為三股匯聚流與主要的俯沖板片

圖4現今印度板塊南北動壓剖面。紅色三角為現今印度-歐亞碰撞邊界，紫色為重力驅動力，黃色為地幔風方向，黑色標注為新特提斯板塊與東亞深部堆積的伊邪那岐-太平洋板塊位置。左下標明了剖面的地表投影

這項研究的重要性不僅在于首次定量證實了地幔拖拽力在印度與歐亞大陸碰撞中的主導作用，更在于揭示了深部多尺度地幔動力學過程與淺部板塊運動之間的內在聯系。這一發現表明，理解板塊構造運動需要將巖石圈與整個地幔對流系統作為一個整體來考慮。這對于研究其他類似的板塊碰撞過程，以及理解超大陸形成和裂解等全球尺度的地質過程具有重要的啟示意義。

展望未來，這一研究成果為深入理解板塊運動的驅動機制開辟了新途徑。首先，研究表明在研究板塊運動時，需要考慮巖石圈厚度變化對板塊-地幔耦合的影響。其次，研究發現地幔對流格局的復雜性遠超過往認知，這提示我們需要重新審視地幔對流對全球構造演化的控制作用。此外，該研究采用的全球地球動力學模型為研究其他地區的構造驅動力提供了新的研究范式。隨著高性能計算技術的發展和地球物理觀測精度的提高，未來的研究有望在為地幔流動與構造運動的相互作用機制提供更多全新的視角。

主要參考文獻

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Molnar P, Tapponnier P. Cenozoic Tectonics of Asia: Effects of a Continental Collision: Features of recent continental tectonics in Asia can be interpreted as results of the India-Eurasia collision[J]. Science, 1975, 189(4201): 419-426.

（撰稿：劉麗軍研究團隊/巖石圈演化學科中心）

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強