高等构造地质学读书报告

高等构造地质学读书报告

题目：藏南拆离系形成模式——

channel flow模式姓名：薛振华

学号：201128007514062

单位：地质与地球物理研究所

藏南拆离系形成模式

——Channel flow模式

摘要：藏南拆离系（STDS）是世界上规模最大的正断层体系，沿喜马拉雅北坡绵延展布2000公里以上。对于藏南拆离系人们共提出了五种模式：重力滑脱模式；塑性楔状挤出模式；中下地壳挤出模式；Channel flow模式；被动顶板断层模式。本文主要介绍Channel flow模式对于藏南拆离系的形成的热力学、动力学解释。由于印度板块向欧亚板块俯冲作用，使得地壳增厚，厚度几乎是临近地壳的两倍。此外，底垫板块和仰冲板块放射性元素的放热以及断层断裂产生的热量，使得在中下地壳15—20km出发生部分熔融，形成在地质历史时期上的一层软弱层。软弱层在上覆岩石的压力下开始向产生向四周流动的趋势。在西藏高原南部，由于坡陡，日晒充足，使得风化剥蚀速度很快，在该处的集中剥蚀，使得地壳减薄，软弱层沿着薄的开口“流出”，流出的过程中形成同期的STDS。软弱层的界限为同期形成的藏南拆离系和主中央逆冲断层。

1地质背景

关于印度与欧亚大陆的碰撞，过去多数地质学家认为开始于50—45Ma，但近期的研究认为碰撞开始于65—55Ma间，该构造结是楔入亚洲大陆的印度板片，由左行西边界和右行东边界限定，西边界左行走滑始于62—59Ma，说明当时印度大陆已开始向亚洲大陆楔入；而俯冲的陆壳高压麻粒岩峰期变质也发生于60Ma左右。

在印度与欧亚大陆碰撞之后，经过近40Ma的构造记录几乎空白期，真正的造山作用开始于中新世初期，绝对时间为25Ma左右。该造山运动形成了南喜马拉雅的逆冲推覆体系(图2)，由北而南依次形成主中央逆冲断裂(MCT)、主边界逆冲断裂(MBT)和主前锋逆冲断裂(MFT)；该运动还导致了喜马拉雅山脉的隆起，并形成喜马拉雅广泛的变质与岩浆活动。

藏南拆离系（STDS）是世界上规模最大的正断层体系，沿喜马拉雅北坡绵延展布2000公里以上（如图1）。该断层系将低级变质的特提斯喜马拉雅沉积岩系（板岩及千枚岩等）直接叠置于高级变质的高喜马拉雅结晶岩系之上，从而形成了喜马拉雅最重要的地质界线之一。运动学上，所有的研究都证明，STDS的运动性质为上盘相对于下盘做向北的下滑运动。已有的年代学研究也证实，该断层系的活动时代为24—12Ma，也即和主中央逆冲断裂(MCT)的活动时代一致。

图1藏南及北喜马拉雅伸展构造示意图

构造组合上，绝大多数研究认为STDS由2个部分组成（如图2），其一是糜棱岩化的片麻岩及浅色花岗岩；其二是顶部的脆性正断层，该断层将下盘高级变质的高喜马拉雅与上盘低级变质的特提斯喜马拉雅截然分开。然而，张进江等最近在定结及吉隆的最新研究发现，STDS不发育脆性断层，而表现为一个宽达十

几公里的大型剪切带，剪切带两侧岩石呈过渡关系。

图2喜马拉雅造山带剖面示意图（据Le fort修改）

在定结，STDS上盘为石炭纪—二叠纪的特提斯喜马拉雅沉积岩系，主要岩

性为砂岩、泥岩和灰岩，经历低级变质而形成变质砂岩、板岩和千枚岩等。在

STDS附近，上盘岩石变质程度自上而下明显增高，紧邻断层部位，泥岩、砂岩被变质为细粒片岩，灰岩发生重结晶。STDS下盘顶部由片岩组成，向下很快过渡为条带状片麻岩，并最终形成眼球状片麻岩等典型的高喜马拉雅岩系。在此，STDS为一宽度超过10km的大型韧性剪切带，主要由糜棱状浅色花岗岩组成，并被后期弱变形的浅色花岗岩体侵位。浅色花岗岩及上盘底部糜棱状片岩的

39Ar/40Ar测年结果证明，该地区STDS的活动历史为19—13Ma。

2channel flow模型的建立

模型以54Ma年前为初始时间，也就是接近印度板块和欧亚板块开始碰撞的时间。该模型的关键在于地表的集中剥蚀和上地壳的粘滞系数，如果地表集中剥蚀速度越快，而且中下地壳的软弱层黏滞系数足够低，管道流就越容易发生。

印度板块以速度Vp向欧亚板块下部俯冲（如图3a），岩石圈地幔在S点与

地壳发生分离，并俯冲至

欧亚板块之下，此时地壳

并没有俯冲下去。俯冲过

程中使得地壳强烈增厚，

大约增厚至75km，大多

数中下地壳的物质温度

超过700℃。700至750

度时，白云母发生部分熔

融，这样会导致有效粘滞

系数的大大降低，保守估

计降低了百分之5到50，

所以当温度超过700℃

时，经过大约20Ma的热

量积累，部分熔融层开始

逐渐形成。图3b反映的

是在地表集中剥蚀未发

生前，中下地壳软弱层开

始形成，软弱层的流动趋

势使得地壳内部的能干

标志层开始发生被动弯

曲，并在地表（西藏高原

南部）发生隆起。地表的

剥速率与表面的坡度，温

度以及所经历的地质历

史时期相关，在西藏高原

南部地势非常陡，其他地

方的剥蚀速率与此处比起图3channel flow模型

来几乎可以忽略不计。所以，在西藏高原南部地壳的迅速减薄（图3f），给中下地壳的软弱层打开一个缺口，软弱层的物质开始顺利流出。根据地球物理资料测得的等温线图（图3h），也反映了较高温度软弱层的流动方向和趋势。图3c d e反映的是在上覆岩层压力和印度板块俯冲作用下软弱层的相对运动方向。

3热量来源

喜马拉雅及藏南拆离系热量来源有很多种，大致可以分为四种来源：增厚地壳或底垫板块的放射性热源；软流圈热量通过俯冲板块的地幔岩石圈的运动而传递至地壳；地壳块体的断裂产生的摩擦能以及主中央逆冲断层动能向热能的转化。这四种热量来源中最主要的是增厚地壳的放射性元素产热。

管道流模型还要考虑到地热的分散、地热传导和放射性热量产生的影响。根据地球物理资料显示，在上地壳的产热量约为2.0μW/m3，在下地壳的产热量约为0.75μW/m3，这些观察得到的地热数据在俯冲大陆边缘是合理可靠的，这些热量是喜马拉雅造山带的主要热量来源。特别需要指出的是：上地壳的产热量在喜马拉雅产热量的浮动变化范围之内的所有的热流值加上岩石圈地幔底部大约20 mW/m2的热流值，使得原始的莫霍面温度大概在704℃，并且使最初的地表热流值达到71.25mW/m2。

4地壳增厚和热能演化

在印度板块向北俯冲大概经过21Ma之后，地壳厚度达到最大值。增厚的地壳中，其下地壳的放射性元素衰变产生大量的热量，经过20Ma的温度积累，使得温度超过700℃，当温度超过700度时，地壳开始发生部分熔融，软弱层开始出现。在上覆岩层给的巨大压力梯度下，软弱层开始产生强大的向西藏高原南部流动的趋势，流动的趋势形成一道管道流。这种流动趋势可以通过中下地壳能干层的弯曲而体现出来。

俯冲进行到大约33Ma时，随着管道流的发展，软弱层物质大多数分布在高原下面，这也促使了西藏高原的形成。在西藏高原下部的中下地壳，大部分区域温度高于800℃，这非常有利于形成软弱层。由于高温的软弱层向外部流动，以及较冷的俯冲板块的岩石圈地幔向下俯冲，使得在西藏高原下部发生地热倒转（图3h）,即在部分区域，较浅的地方温度反而比较深的地方温度要高。地表的集中剥蚀作用开始发生后，在中地壳前缘也就是西藏高原南部打开一个较窄的大致对称的开口，由于软弱层的物质强烈流动趋势，使得地热线在高原南部变得密集和向外突出（图3h）。这个时间大概发生在板块俯冲作用开始33Ma（21Ma 之前）之后，深熔作用广泛发生，并且浅色花岗岩开始大量侵入，也就是在这个时候MCT和STDS开始广泛活动。

俯冲作用持续进行大约39Ma后，西藏高原南部的地表集中剥蚀作用使得地壳强烈减薄变软，高原下部的“管道”开始“破土而出”，流出的物质实际上比之前存在于高原下部的厚度要薄。管道流的物质从中下地壳的“管道”中流出，也就是高喜马拉雅序列物质在接近地表的地方开始冷却，被地表集中剥蚀，剥蚀下来的各种碎屑物质顺坡掉落，堆积在低喜马拉雅序列之上。管道流物质就在MCT和SDTS所界定的区域内一边流出冷却，一边剥蚀。