藏南裂谷系的研究综述

才巴央增 赵俊猛

摘要：在青藏高原的南部发育了数条近南北走向的巨型构造，地质学者通常称之为“藏南裂谷系”，目前对该裂谷系虽有所研究，但对它们的形成机制、深浅部构造关系等仍存在很大的争议。通过综述前人对藏南裂谷系的地质学、地球化学、地球物理学等特性，及其与尼泊尔地震的关系，对该裂谷系的形成机制进行论述，认为藏南裂谷的形成机制与典型意义上的大陆裂谷可能不同。

关键词：藏南裂谷系；深部构造；形成机制；尼泊尔地震

中图分类号：P313.6 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2018）01-0014-08

0 引言

青藏高原是大陆中分布最宽、活动最强的构造形变带。自印度板块和欧亚板块在约70Ma（Yin，2000）前碰撞以来，这个地区发生了强烈的构造变形，造成地壳缩短、岩石圈增厚、高原隆升及喜马拉雅山崛起。如果说雅鲁藏布江、班公一怒江、金沙江等近东西向分布的缝合线是高原形成前特提斯演化的痕迹，那么这些近南北走向的伸展构造（有人称之为裂谷系或正断层体系）是青藏高原南部最显著的构造特征。这种伸展构造由正断层构成的地堑和半地堑体系构成，其形成机制、深浅部构造关系是认识青藏高原形成与演化的关键问题，是研究青藏高原隆升机制与动力学过程所要依据的基础信息。

青藏高原是研究陆-陆碰撞的理想的天然“实验室”，尤其是藏南地区，它地处欧亚大陆碰撞的前缘，变形强烈，裂谷系发育。使用不同的地球物理方法探测藏南裂谷系深部结构与构造，研究两大板块的碰撞过程及其影响，揭示高原隆升演化的动力学机制，对板块构造理论的发展，尤其是阐明大陆内部造山活动与演化过程等大陆动力学的理论问题具有重大意义。

在藏南发育有大型、超大型金属矿床。这些金属矿床的形成无不与藏南裂谷系的形成与演化有关。藏南自然条件优越，生活着各民族的同胞，但生态环境日趋严峻，地震、地质等各种自然灾害频发，对当地民众的生命财产造成巨大的威胁。因此，开展藏南地区，尤其是藏南裂谷系的壳幔结构与地球动力学研究，为开发资源、减轻灾害、保护环境提供基础理论支撑，具有重大的现实意义。

藏南裂谷系与青藏高原隆升或垮塌的关系越发受到人们的关注，其成因机制存在争议，是由于南北挤压下物质东逸而产生的壳内拉张，还是高原隆升到最大高度后的垮塌（Coleman，Hodges，1995）仍不很清楚。

1 藏南裂谷系基本概况

印度板块与欧亚板块的碰撞使得青藏高原成为全球地壳活动最为剧烈的地区，并在第四纪期间被多条巨型边界断裂带分割为多个变形特征明显不同的构造变形域。藏南裂谷系便是其中最为独特和显著的活动构造变形形迹之一（Coleman，Hodges，1995；Harrison et al，1995；Searle，1960；Seeber，Pecher，1998；Yin，2000；Hurtado et al，2001；Zhang et al，2002，2007）。藏南裂谷系是区域构造变形由近南北向挤压转变为近东西向伸展之后的产物，大致被局限在南部的喜马拉雅山前逆冲断裂带与北侧斜列分布的喀喇昆仑—嘉黎大型走滑断裂带之间（Armijo et al，1989；Tapponnier et al，1981）。藏南裂谷系的形成时间大概为8～23Ma，虽然不同裂谷系的活动时间略有不同，但在同一裂谷系的不同位置测得的裂谷系活动年龄接近，表明藏南裂谷系是受相同机制控制的。整体上，除了亚东一谷露裂谷系活动时间较晚外（8～10Ma），其它裂谷的活动时间都较早，为13Ma左右。

如图1所示，在藏南从东至西依次分布着桑日一错那裂谷、亚东—谷露裂谷、申扎一定结裂谷、尼玛一定日裂谷、隆格尔裂谷5个裂谷系。这5个裂谷系中，最东部的桑日—错那裂谷系主要发育在喜马拉雅地块内，而其余4个则穿过了雅鲁藏布江，同时切割了喜马拉雅地块和拉萨地块，它们的南端切割了藏南拆离系，到达高喜马拉雅（丁林等，2006）。另外，这些裂谷系还是现今浅源地震发育区（贺日政，高锐，2003），也是晚新生代岩浆活动集中的地带，从而与金属矿床密切相关（Hou et al，2004）。

2 有关藏南裂谷系的研究概述

关于藏南裂谷系的研究历史悠久，它始于20世纪50年代初，之后大致经历了从感性认识、初步分析-调查和系统调查研究，再到逐步深入剖析等阶段。

李璞（1955）提出，藏南的亚东一谷露裂谷系北段存在强烈的断裂活动。Molnar和Tapponnier（1978）认为，地堑和正断层系是高原隆升达到最大海拔高度之后重力塌陷作用的结果。成都地震大队围绕亚东—谷露裂谷系北段那曲谷露一带进行了地震烈度和地震地质工作（唐荣昌等，1980）。美、法地质学家利用遥感图像解译和震源机制解分析方法对青藏高原活动断裂进行了全面分析，认为该区内部，特别是藏南地区正在经历强烈的近东西向拉张作用（Tapponnier et al，1981）。从此，青藏高原南北向构造受到越来越多的关注。

2.1 地球化学、地质学特征

通过测定岩石构成元素及其同位素的丰度揭示藏南裂谷系的演化过程、形成时间及具经济价值的岩石和矿物的分布和成藏机理。

Yin等（1999）和Blisniuk等（2001）认为，由于高原在整体伸展，因此排除了伸展构造是由于倾斜俯冲、喜馬拉雅弧扩展以及向东挤出所导致，推测可能与整个高原的状态或者与过去10Ma左右广泛的东亚伸展作用有关。WilliaMS等（2001）将藏南地区一些近南北向岩脉的形成与近南北向裂谷系的发育相联系，并根据它们的发育时代推断，藏南裂谷系出现于8～18Ma。Garzione等（2000）通过分析Thakkhola裂谷系中的沉积物的氧同位素，认为裂谷系形成于10～11Ma左右，而其基底大约形成于8Ma，当时的古高度与现今相近。Zhang等（1999，2002，2007）通过研究藏南的伸展构造，认为伸展期的主导构造运动为挤压和隆升，伸展构造是造山带应变分解所致，而不是高原下降的标志。邹光富等（2003）通过藏南定日白垩纪火山岩研究以及定日甲不拉组中的白垩纪岛弧型中酸性火山岩研究表明，该火山岩可能是燕山晚期印度板块向北与欧亚板块发生俯冲碰撞形成的火山岛弧之产物。这些岛弧型火山岩的存在，表明冈瓦纳大陆北缘在白垩纪时期确实存在一些规模不大的点状水下岛弧链，为新特提斯多岛弧（洋）极为重要的组成部分。周志广等（2005）通过对藏南江孜盆地北缘火山岩研究认为，雅鲁藏布江结合带在三叠纪和早白垩世为大陆裂谷构造环境，晚白垩世早期为大陆裂谷向大洋演化的构造背景，晚期形成洋壳，其形成至少经历了4次脉动式的演化过程。丁林等（2006）通过对藏南裂谷系附近的中新世高镁超钾质火山岩研究，认为高原内部正断层的强烈活动时间为13～23Ma，高原裂谷系形成于俯冲的印度地壳的断离所造成的高原岩石圈的伸展破裂。童劲松等（2007）通过对藏南洛扎地区基性岩墙群错石U-Pb定年研究得出，藏南洛扎地区近东西向产出、13Ma左右侵位的基性岩墙群证明喜马拉雅被动陆缘在岩墙侵位时处于强烈的伸展构造环境。何俊国等（2007）通过西藏南部热水沉积硅质岩岩石学研究，得到硅质岩形成与藏南拆离系和伸展构造碰撞造山带所造成的构造热事件有关。陈建林等（2010）通过研究青藏高原拉萨地块新生代超钾质岩与南北向地堑成因关系认为，拉萨地块超钾质火山岩和南北向地堑（裂谷）在空间上和形成时代上均有着明显的耦合性，两者的产生可能与中新世早期北向俯冲的印度岩石圈地幔发生断离和由此而引发的东西向构造伸展体制有关。颜晗等（2013）通过西藏羊八井白榴斑岩错石U-Pb年代学和地球化学及其与裂谷发育的关系研究认为，错石U-Pb定年结果表明白榴斑岩形成于8.2～15.4Ma，加权平均年龄为（10.9±1.6）Ma，该时代为当雄一羊八井地堑初始形成时间提供了更为有力的证据。高利娥等（2013）研究了藏南马拉山高钙二云母花岗岩的年代学特征，得出马拉山二云母花岗岩是变泥质岩在较高温压条件下水致白云母部分熔融的产物，与藏南裂谷系的东西向伸展作用密切相关。吴中海等（2015）通过藏南安岗地堑的史前大地震遗迹、年龄及其地质意义，认为安岗地堑的大地震活动具有较明显的丛集性特征，并且在距今23～26ka以来一直处于大地震活跃期，研究结果指示，藏南裂谷系的大地震活动性比藏北的近南北向正断层更为显著。

2.2 地球物理学特征

很多学者利用地热、电磁及地震反射等地球物理探测方法研究藏南裂谷系的特征、结构、组成及其演变过程。韩同林等（1988）试论西藏活动构造系的形成时代，认为西藏地热的分布与藏南活动构造系基本一致，集中分布在班公湖一怒江缝合带与高喜马拉雅中央断裂之间；最强烈的水热活动均与活动构造有关，其展布主要集中在边界断裂附近；水热活动的强度受活动构造现今活动性控制，裂谷区内表现为高热流，变化幅度大，活动构造不仅为水热活动提供了通道，还控制着地壳深处年轻岩浆的分布及其活动。魏文博等（1997）研究表明在西藏中、南部地壳中普遍存在2组不连续的壳内高导体。在藏中冈底斯构造带处发现的壳内高导体分布范围广，也反映上地壳存在局部熔融区。在雅鲁藏布江未发现显示深断裂的电性痕迹，但在江孜和仁布之间发现了向北倾斜的高导体，该高导体的成因可能与板块碰撞有关，同时，认为雅鲁藏布江缝合带实际出露的位置应在江孜附近。青藏高原的地壳和上地幔大地电磁测深结果（Wei et al，2000）表明，在雅鲁藏布江缝合带和班公一怒江缝合带下具有相似的电性结构，即北倾的高导体，相比之下，雅鲁藏布江缝合带下的导电性更高，藏南喜马拉雅构造带的上地幔软流圈深度大，而藏中的拉萨地体的软流圈急剧上隆。喻成等（2014）利用GPS水平速度场，采用负位错模型，研究了亚东一谷露裂谷系及邻区的断层运动速率。计算结果表明，亚东一谷露裂谷系南段拉张速率约为（6.75±0.9）mm/a，北段的拉张速率为（4.72±0.8）mm/a，均高于地质研究获得的长期运动速率。张丽红（2015）通过He-C同位素模型计算结果说明谷露一亚东裂谷系北段火山—地热区的气体主要来源于地壳，仅少量来自地幔，且自南向北，幔源的气体组分呈现逐渐增高的趋势，说明印度大陆仍在向北俯冲。Cogan等（1998）通过国际合作的INDEPTH地震反射剖面揭示，西藏近东西向伸展变形可能仅局限在上地壳中。Yin等（1999）根据对西藏裂谷系跨度的分析结果推断，西藏裂谷系的发育反映了整个岩石圈的减薄过程。Zhao等（2001）的德庆一龙尾错深地震测深剖面结果表明，在藏西北的班公错一怒江缝合带两侧莫霍面错断达10km，其南侧的拉萨地体厚75～78km，而北侧的羌塘地体厚65～70km，这表明拉萨地体的莫霍面的深度比其北侧的羌塘地体深约10km左右。显然，这些裂谷系并没有位于区域性地幔隆起上。苏伟等（2002）地震层析成像结果认为，高原深部结构和速度分布存在明显的横向变化和分区特征，从岩石圈地幔速度来看，喜马拉雅地体和拉萨地体与印度板块是一致的，印度板块岩石圈可能已经俯冲到喜马拉雅地体和拉萨地体之下，造成青藏高原岩石圈增厚。Him等（1995）和Lave等（1996）对青藏高原印度一雅鲁藏布缝合带进行各向异性研究，发现该缝合带以北的地震各向异性相对较强，认为印度一亚洲岩石圈的碰撞促使软流圈产生流动，因而在喜马拉雅和青藏高原下方产生各向异性。姜枚等（2001）和许志琴等（2004，2006）總结了青藏高原内部及周边的各向异性资料，提出青藏高原隆升的动力学模型：南部印度岩石圈向陆内俯冲，北部克拉通向陆内浅俯冲，中部深地慢热结构的右旋隆升及物质向东挤出。张智和田小波（2011）通过青藏高原中部地壳和上地幔各向异性分析研究，发现拉萨块体地壳各向异性层的快轴方向与印度一欧亚板块汇聚方向一致，可能与地壳刚性较强有关，其在板块汇聚过程中不易发生形变；而羌塘块体由于其较强的流变性，在南北向挤压力的作用下，岩石圈整体向东逃逸，从而表现出较强的各向异性特征。徐强等（2010）通过分析横跨班公湖一怒江缝合带中部的Hi-Climb剖面，显示拉萨地体和羌塘地体的Moho面在班公湖一怒江缝合带附近叠置和存在约10km的错断，地幔过渡带的厚度沿剖面维持在255km左右，说明印度板块和欧亚板块的碰撞所引起的构造活动局限在410km深度范围内。张衡等（2011）通过远震层析成像方法研究西藏东南裂谷系得到印度板块俯冲至喜马拉雅地体下发生了拆沉，深度大约在200～350km，俯冲前缘并未超过嘉黎断裂。在92°E附近的低速异常是地幔物质的倾斜上涌造成的，这也是地表裂谷系形成的主要原因；而产生这种倾斜上涌则是地幔物质的横向流动造成的。刘启民（2013）通过在藏南的尼玛—定日裂谷系和申扎—定结裂谷系的研究表明：（1）申扎一定结裂谷系在Moho面的不连续段与地表裂谷系在空间上错位，推测其有向东迁移的特点：（2）尼玛一定日裂谷系在Moho面错断的区域正上方40～60km处有一块宽阔的低速区域，这些低速物质很可能是从地幔涌上来的岩浆：（3）申扎一定结裂谷系的Mo-ho面起伏比尼玛一定日裂谷系要大得多，表明其受到地幔物质的强烈改造，推测其形成时间较尼玛—定日裂谷系要早。

以上是不同学者对藏南裂谷系的地质学、地球化学、地球物理学的特性的综述，可见，地质学强调的是裂谷系的构造属性，地球化学强调的是裂谷系的物质属性，而地球物理学强调的是裂谷系的深部结构特征。不同学科具有不同的优势，但同时又具有各自的局限性，因为，他们对藏南裂谷系的认识不完全一致，甚至偏差较大。究其原因，可能是我们所使用的资料的质量与数量有限，缺少不同手段之间的相互匹配、不同方法间的相互渗透，以及不同结果间的相互验证。

3 藏南裂谷系与尼泊尔地震

2015年4月25尼泊尔大地震发生在喜马拉雅造山带的南坡，其发震机制是人们关注的重要问题，该地震的发生是否与藏南裂谷系有关是新的研究课题。

在中科院青藏高原研究所ANTILOPE计划的总体框架下，笔者所在课题组先后完成了ANTILOPE-Ⅰ和ANTILOPE-Ⅱ剖面的数据分析。由图2可看出，沿ANTILOPE-Ⅰ和ANTILOPE-Ⅱ剖面印度向欧亚板块之下俯冲的形态发生了明显的变化（Zhao et al，2010）。沿ANTILOPE-Ⅰ，印度板块板块向北先以高角度、再以低角度、再以高角度俯冲于青藏高原之下，其北端达塔里木盆地；而沿ANTILOPE-Ⅱ，印度板块以高角度向北俯冲，它的北端终止于班公—怒江缝合线附近。那么，由ANTILOPE-Ⅰ到ANTILOPE-Ⅱ的岩石圈尺度的构造差异是渐变，还是突变？若是突变，那么这个突变部位与藏南裂谷系是否一致，与尼泊尔大地震发生是否有关系？

Nabelek等（2009）沿85°E剖面（图3）研究结果表明，印度板块俯冲至喜马拉雅地体下，印度板块俯冲前缘与亚洲板块向南挤压相结合。沿920E剖面（图4），显示印度板块俯冲至喜马拉雅地体下发生了拆沉，在深度200km处俯冲向北延伸突然停止（Shi et al，2015）。对于青藏高原壳幔流变性的问题，自下地壳流模型提出以来就存在激烈的争论。在高原，究竟是下地壳流（Roydon etal，2009），还是整个岩石圈在流动（Zhao et al，2010）是需要澄清的，因为，二者所产生的地球动力学效果是不同的。

4 藏南裂谷系的形成机制

关于藏南裂谷系的形成究竟是局部边界应力变化的产物还是高原隆升至极限高度的标志一直是青藏高原动力学研究的焦点问题之一（Molnar，Tap-ponnier，1978；李吉均等，1979；Armijo et al，1986，1989；Harrison et at，1992；Coleman，Hod-ges，1995；Yin，2000）。

目前，关于藏南裂谷系的形成机制主要有以下几个观点：①增厚和抬升的大陸地壳的重力塌陷作用或高原岩石圈增厚至极限后地幔岩石圈的拆沉作用（Molnar，Tapponnier，1978；England，House-man，1989；Harrison et at，1992；Coleman，Hod-ges，1995）；②近南北向强烈挤压作用下热而弱的下地壳物质的侧向流动（Lee，Whitehouse，2007）；③东亚上地鳗的普遍上涌或亚洲板块东缘边界条件的变化（Yin，2000；Tian et at，2015；Liang et at，2016）；④印度板块斜向俯冲所产生的底部牵引力（Mccaffrey，Nabelek，1988）；⑤印度板块对欧亚板块的北北东向撞击作用导致西藏内部发生放射状张裂的结果（Kapp et at，2004）；⑥粘塑性的西藏高原地壳在刚性的印度板块之上的向南扩展作用或马蹄形的喜马拉雅造山带的弯曲拉张作用（Seeber，Pecher，1998；Bendick，Bilham，2001）；⑦高原的不均匀侧向挤出或刚性块体向东横向挤出过程中沿共扼走滑断裂带的一侧或两侧所产生的局部拉张作用（Ni，York，1978；Armijo etat，1989）。

藏南裂谷系的形成机制与典型意义上的大陆裂谷可能不同。一般大陆裂谷不论主动式或者被动式，都是地表水平方向的2个方向相反的力同时拉张形成的。藏南的裂谷系形成机制可能不同，由于青藏高原的西边界被固定，在印度板块向北持续俯冲的背景下，高原内部物质普遍向东运移。ANTI-LOPE剖面研究（Zhao et al，2010）揭示，青藏高原是由3个碰撞板块构成，由南至北分别为印度板块、西藏板块和亚洲板块。西藏板块位于印度板块与亚洲板块之间，其形状宛如向东张开的“喇叭”，且具有低速、高温的特点，在南北强大的应力作用下整体向东运动。上地幔的物质流动产生地壳拉张是藏南裂谷系形成的重要因素之一。地表GPS位移数据（Gan et al，2007）、地震震源机制（曾融生，孙为国，1992）和Pn波各向异性（Peiet al，2007）等资料都证明了这一点。最近，虚拟地震测深（Tian et al，2015）、远震体波走时成像（Liang et al，2016）、地震各向异性（Chen et al，2015）等研究得出印度岩石圈在青藏高原下方发生板片撕裂，板片撕裂、俯冲角度差异提供板片窗，诱发大规模热物质上涌，而大规模的热物质上涌引起了岩石圈的伸展，从而促使了裂谷系的发育。

5 展望

截至目前，关于藏南伸展构造的性质与形成机理远没有达成一致的意见，其主要原因是缺少高精度的、综合的、大量的深部地球物理资料以及不同物性参数的约束。根据藏南伸展构造的深部结构与构造我们才有可能确定这些伸展构造的属性，如裂谷、地堑、半地堑、断裂等；至于这些伸展构造的形成机理及动力学演化过程更是需要藏南深部地球物理资料的支持，因为每一种模型都意味着不同的深部结构特点。因此，在藏南地区横穿这些伸展构造完成一条高密度、高精度、综合的地球物理剖面，获得地壳与上地幔顶部的详细的信息，获得藏南伸展构造在空间上的分布图像，再结合地质学、地球化学等资料综合分析，确定这些伸展构造的属性与形成机制，为高原隆升与扩展的理论研究，为开发资源、减轻灾害、保护环境服务，为国家“一带一路”战略的实施保驾护航。

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