Abstract 摘 要

板塊運動的驅(qū)動力一直是地球動力學(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力學(xué)模型揭示，印度板塊持續(xù)北向運動主要由地幔拖拽力驅(qū)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(chǎn)生的阻力，為理解印度板塊碰撞的動力過程提供了關(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)北向運動的機(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。

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(tài)，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(xù)的北向匯聚運動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)動印度板塊向北運動一直是一個懸而未決的科學(xué)問題。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為板塊運動主要由俯沖板片拉力驅(qū)動（Forsyth and Uyeda, 1975），但這種機(jī)制難以解釋印度板塊的持續(xù)運動：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)動力，則太?。s3×1012 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動方向基本平行，這種動力傳遞機(jī)制難以實現(xiàn)。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(shù)據(jù)同化地球動力學(xué)數(shù)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(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(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)為理解板塊運動提供了新的視角。

研究將地幔拖拽力包含兩個關(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)計算中的板片拉力量級相當(dāng)，且大于維持青藏高原重力勢能所需的力。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數(shù)量級，由于最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)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(qū)動力。在一個完全自由演化的動力學(xué)模型中，驅(qū)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(zhì)量異常相守恒。但是在傳統(tǒng)給定邊界速度的動力學(xué)模型中，力則會受到軟流圈黏度的影響，從而導(dǎo)致不一樣的認(rèn)識。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動中扮演著比預(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)制與大小；（b）壓力拖拽力以及北部邊界阻力的分布，機(jī)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(qū)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(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，并由壓力差驅(qū)動，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)動印度板塊北向運動的這支風(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)動青藏高原形成的“強風(fēng)”（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(xù)北向運動，也為理解整個歐亞大陸周緣的構(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(dǎo)作用，更在于揭示了深部多尺度地幔動力學(xué)過程與淺部板塊運動之間的內(nèi)在聯(lián)系。這一發(fā)現(xiàn)表明，理解板塊構(gòu)造運動需要將巖石圈與整個地幔對流系統(tǒng)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(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動的驅(qū)動機(jī)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(fā)現(xiàn)地幔對流格局的復(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流對全球構(gòu)造演化的控制作用。此外，該研究采用的全球地球動力學(xué)模型為研究其他地區(qū)的構(gòu)造驅(qū)動力提供了新的研究范式。隨著高性能計算技術(shù)的發(fā)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(gòu)造運動的相互作用機(jī)制提供更多全新的視角。

主要參考文獻(xiàn)

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（撰稿：劉麗軍研究團(tuán)隊/巖石圈演化學(xué)科中心）

美編 | 陳永焱

校對 | 劉強