Abstract 摘 要

板塊運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力一直是地球動(dòng)力學(xué)研究的重要課題。Li等最新發(fā)表在Nature Communications上的研究通過全球地球動(dòng)力學(xué)模型揭示，印度板塊持續(xù)北向運(yùn)動(dòng)主要由地幔拖拽力驅(qū)動(dòng)（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(shì)能產(chǎn)生的阻力，為理解印度板塊碰撞的動(dòng)力過程提供了關(guān)鍵依據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了印度板塊在失去俯沖板片拉力后仍能持續(xù)北向運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(zhuǎn)以及東亞地區(qū)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(zhì)匯聚流場(chǎng)。

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

印度與亞洲板塊的碰撞及其持續(xù)的北向匯聚運(yùn)動(dòng)是顯生宙最重要的板塊構(gòu)造事件之一(Molnar and Tapponnier, 1975)。這一過程不僅導(dǎo)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(jié)束后，到底是什么力量持續(xù)驅(qū)動(dòng)印度板塊向北運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)懸而未決的科學(xué)問題。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)主要由俯沖板片拉力驅(qū)動(dòng)（Forsyth and Uyeda, 1975），但這種機(jī)制難以解釋印度板塊的持續(xù)運(yùn)動(dòng)：由于缺少連續(xù)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(qū)動(dòng)力，則太小（約3×1012 N m?1），不足以克服青藏高原產(chǎn)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(xué)者認(rèn)為可能是陸殼俯沖產(chǎn)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(cè)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(yuǎn)場(chǎng)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(nèi)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(yùn)動(dòng)方向基本平行，這種動(dòng)力傳遞機(jī)制難以實(shí)現(xiàn)。最具可能性的解釋是來自流動(dòng)地幔對(duì)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(diǎn)此前缺乏定量的分析支撐。

通過建立全球尺度的數(shù)據(jù)同化地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，Li et al. （2024）首次對(duì)新生代印度板塊運(yùn)動(dòng)的地幔拖拽力進(jìn)行了系統(tǒng)性的定量研究。他們的模型不僅能夠重現(xiàn)觀測(cè)到的板塊運(yùn)動(dòng)歷史，還成功模擬了巖石圈-軟流圈耦合過程中應(yīng)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(fā)現(xiàn)為理解板塊運(yùn)動(dòng)提供了新的視角。

研究將地幔拖拽力包含兩個(gè)關(guān)鍵組分進(jìn)行量化：摩擦拖拽力和壓力拖拽力。由巖石圈底部剪切應(yīng)力產(chǎn)生的摩擦拖拽力雖然遍布整個(gè)板塊，但在巖石圈厚度階梯處表現(xiàn)出明顯的集中效應(yīng)（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(dá)到了1013 N m-1, 與傳統(tǒng)計(jì)算中的板片拉力量級(jí)相當(dāng)，且大于維持青藏高原重力勢(shì)能所需的力。與傳統(tǒng)認(rèn)知不同的是，盡管軟流圈黏度比巖石圈低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，由于最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在相對(duì)堅(jiān)硬的巖石圈根部，對(duì)流地幔仍可以對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)施加足夠大的驅(qū)動(dòng)力。在一個(gè)完全自由演化的動(dòng)力學(xué)模型中，驅(qū)動(dòng)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(zhì)量異常相守恒。但是在傳統(tǒng)給定邊界速度的動(dòng)力學(xué)模型中，力則會(huì)受到軟流圈黏度的影響，從而導(dǎo)致不一樣的認(rèn)識(shí)。除此之外，基于模型分析給出的應(yīng)力分布，克拉通根部在板塊運(yùn)動(dòng)中扮演著比預(yù)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(jī)制與大??；（b）壓力拖拽力以及北部邊界阻力的分布，機(jī)制與大??；（c）三種力，青藏高原重力勢(shì)能估計(jì)，以及板塊運(yùn)動(dòng)在新生代的演化過程

更為重要的是，研究揭示了驅(qū)動(dòng)印度板塊運(yùn)動(dòng)的地幔流動(dòng)模式是一個(gè)貫穿東半球的大尺度對(duì)流單元的一部分。該對(duì)流單元由三支地幔分流組成，其表現(xiàn)為上地幔的水平匯聚流（作者稱之為地幔風(fēng)：其為水平向的流動(dòng)，并由壓力差驅(qū)動(dòng)，正如大氣中的風(fēng)）（圖3）。該半球匯聚地幔風(fēng)主要受控于東亞地區(qū)俯沖板片的堆積。而參與驅(qū)動(dòng)印度板塊北向運(yùn)動(dòng)的這支風(fēng)流則被南向翻轉(zhuǎn)的新特提斯洋板塊進(jìn)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(qū)動(dòng)青藏高原形成的“強(qiáng)風(fēng)”（圖4）。這種獨(dú)特的地幔流動(dòng)模式不僅解釋了印度板塊的持續(xù)北向運(yùn)動(dòng)，也為理解整個(gè)歐亞大陸周緣的構(gòu)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(lán)體積為俯沖板片，顏色代表其現(xiàn)今所在的深度。標(biāo)注為三股匯聚流與主要的俯沖板片

圖4現(xiàn)今印度板塊南北動(dòng)壓剖面。紅色三角為現(xiàn)今印度-歐亞碰撞邊界，紫色為重力驅(qū)動(dòng)力，黃色為地幔風(fēng)方向，黑色標(biāo)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(biāo)明了剖面的地表投影

這項(xiàng)研究的重要性不僅在于首次定量證實(shí)了地幔拖拽力在印度與歐亞大陸碰撞中的主導(dǎo)作用，更在于揭示了深部多尺度地幔動(dòng)力學(xué)過程與淺部板塊運(yùn)動(dòng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。這一發(fā)現(xiàn)表明，理解板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)需要將巖石圈與整個(gè)地幔對(duì)流系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮。這對(duì)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(zhì)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(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制開辟了新途徑。首先，研究表明在研究板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要考慮巖石圈厚度變化對(duì)板塊-地幔耦合的影響。其次，研究發(fā)現(xiàn)地幔對(duì)流格局的復(fù)雜性遠(yuǎn)超過往認(rèn)知，這提示我們需要重新審視地幔對(duì)流對(duì)全球構(gòu)造演化的控制作用。此外，該研究采用的全球地球動(dòng)力學(xué)模型為研究其他地區(qū)的構(gòu)造驅(qū)動(dòng)力提供了新的研究范式。隨著高性能計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和地球物理觀測(cè)精度的提高，未來的研究有望在為地幔流動(dòng)與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的相互作用機(jī)制提供更多全新的視角。

主要參考文獻(xiàn)

Becker T W, Faccenna C. Mantle conveyor beneath the Tethyan collisional belt[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2011, 310(3-4): 453-461.

Capitanio F A, Morra G, Goes S, et al. India–Asia convergence driven by the subduction of the Greater Indian continent[J]. Nature Geoscience, 2010, 3(2): 136-139.

Copley A, Avouac J P, Royer J Y. India‐Asia collision and the Cenozoic slowdown of the Indian plate: Implications for the forces driving plate motions[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2010, 115(B3).

Forsyth D, Uyeda S. On the relative importance of the driving forces of plate motion[J]. Geophysical Journal International, 1975, 43(1): 163-200.

Ghosh A, Holt W E, Flesch L M, et al. Gravitational potential energy of the Tibetan Plateau and the forces driving the Indian plate[J]. Geology, 2006, 34(5): 321-324.

Li Y, Liu L, Li S, et al. Cenozoic India-Asia collision driven by mantle dragging the cratonic root[J]. Nature Communications, 2024, 15(1): 6674.（原文）

Molnar P, England P, Martinod J. Mantle dynamics, uplift of the Tibetan Plateau, and the Indian monsoon[J]. Reviews of Geophysics, 1993, 31(4): 357-396.

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(tuán)隊(duì)/巖石圈演化學(xué)科中心）

美編 | 陳永焱

校對(duì) | 劉強(qiáng)