孙伟家等-Geology：板块汇聚迫使克拉通岩石圈被动俯冲

由于大陆地壳密度较低而产生的正浮力，大陆俯冲在很长的时间被认为是不可能的；但随着柯石英、斯石英等高压矿物的发现，大陆俯冲被认识到是可能的，并在随后的研究中被广泛证实。传统观点认为，大陆俯冲的主要驱动力是先期俯冲下去且密度较大的大洋板片拖拽作用。然而，大陆俯冲的具体机制依然不明确，是否存在其他机制导致大陆岩石圈俯冲？特别是克拉通型大陆岩石圈能否发生俯冲？

位于我国新疆的塔里木盆地是克拉通型大陆，其地理位置独特，处在新生代以来印度-欧亚板块碰撞构架中的关键位置，其北面是天山造山带，南面是新生代印度-欧亚板块碰撞隆升的青藏高原(图1)。新生代以来，印度板块和欧亚板块发生碰撞，GPS观测数据给出的地壳运动速率从雅鲁藏布缝合带37mm/yr向北降低到塔里木盆地 16-20mm/yr，跨越天山进一步降低到<5mm/yr（图1A）。据估计，塔里木和天山自新生代以来地壳缩短量为200 50km，如此巨大的地壳缩短量无法用天山隆升解释，这些物质去了哪里？是否意味着克拉通大陆岩石圈的俯冲过程？现有塔里木及周边地区下方的地震学图像分辨率不足，阻碍探讨和回答上述科学问题。

图1 （A）塔里木盆地及其周边地区的地形图，白色线条是主要构造线，蓝色箭头是GPS速率，红色虚线（LIP）表示塔里木大火成岩省二叠纪玄武岩的分布；（B）层析成像所用的地震台站分布，红色三角是地震台站，细黑线表示地震面波射线路径

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室孙伟家研究员、唐清雅博士、岩石圈演化国家重点实验室敖松坚研究员、赵亮研究员、肖文交研究员及其国际合作者，以克拉通型塔里木大陆岩石圈为研究对象，开展上述科学问题的研究。他们基于新疆固定台站（图1B）记录的连续背景地震噪声，采用新发展的频域波形拟合层析速度成像方法，获得了塔里木岩石圈清晰的面波速度结构（图2）。

图2给出了一条横跨关键构造单元的代表性剖面下方的地震波速度结构，该剖面从青藏高原北缘跨过塔里木和西南天山延伸到伊塞克尔湖。面波速度结构显示塔里木盆地下方地壳底部和岩石圈地幔呈现明显的S波高速异常，地壳底部（40-45km深度范围）的速度高达4.2-4.3km/s（图2B中的HV1），与角闪石的波速一致，指示了下地壳基性侵入和加强的岩石圈。

图2 从塔里木盆地南缘到伊塞克尔湖的地震层析成像剖面。（A）剖面地形图；（B）0-100 km深度范围内的面波相对速度结构（本研究）；（C）0-100 km深度范围内的面波相对速度结构（本研究）。参考速度是相应深度三维速度的平均值；（D）100-600 km深度范围内的远震P波速度结构（Koulakov，2011）；（E，F）50 km和80 km处的面波速度（SV）深度切片，参考速度（Vref）标记在左上方

清晰的地震学图像显示，高速异常HV1（图 2B）自塔里木向北延伸至西南天山并以约45 角度插入西南天山下方，即塔里木克拉通岩石圈俯冲至天山下方；本研究面波成像结果（HV1，俯冲角度45 ，大陆岩石圈至100km深度）与远震层析成像P波速度高速异常（HV2，俯冲角度70 ，大洋岩石圈至600km深度）相互印证。上方为俯冲的塔里木克拉通岩石圈，下方为俯冲的西南天山大洋板片。

然而，塔里木岩石圈的俯冲动力并不是西南天山大洋板片的拖拽力。西南天山洋在 224-217Ma闭合后，天山地区经历了长达150 Ma的地质活动静寂期；直到新生代印度-欧亚大陆板块汇聚碰撞，再次激活塔里木-天山地区的地质活动并导致天山的快速隆升，这与普遍认为的天山隆升是印度-欧亚大陆碰撞的远程效应一致。GPS观测表明，雅鲁藏布缝合带的地壳缩短速率为37mm/yr，向北到塔里木盆地降低为 16-20mm/yr（图 1A），跨越天山后GPS速率迅速下降至<5mm/yr，其被塔里木岩石圈的大陆俯冲吸收。综合西南天山GPS速率明显降低和巨大的地壳缩短量等，地震学图像清晰且有力揭示了塔里木克拉通大陆岩石圈新生代以来俯冲至西南天山下方，其驱动力是印度和欧亚板块汇聚产生的强大构造应力，其不仅导致青藏高原的隆升，还迫使塔里木克拉通发生了俯冲作用（图3）。

图3 塔里木大陆俯冲动力学过程示意图

此外，地震学结构图像显示西南天山大洋板片向西北俯冲至天山下方，排除了西南天山洋板片南向俯冲或双向俯冲的可能，解决了西南天山洋俯冲极性这一长期以来的国际学术争议。本研究提供了克拉通型大陆岩石圈在板块汇聚条件下发生俯冲的地球物理证据，丰富了大陆俯冲动力过程认识。

研究成果发表于国际学术期刊Geology（孙伟家*, 敖松坚*, 唐清雅, Marco G. Malusa*, 赵亮, 肖文交. Forced Cenozoic continental subduction of Tarim craton-like lithosphere below the Tianshan revealed by ambient noise tomography[J]. Geology, 2022, 50: 1393–1397. DOI: 10.1130/G50510.1）。研究受国家自然科学基金委(41888101, 42022026, 41822204, 41774060)资助。

美编：陈菲菲

校对：万鹏（地质地球所）