气体同位素实验室支撑科研在《自然.通讯》联合发表重要成果

点击次数:858 更新时间:2021年07月09日16:59:19 打印此页 关闭

新生代以来,印度与亚洲大陆之间的汇聚、碰撞和俯冲过程造就了现今高耸辽阔的青藏高原,由此导致的海陆格局、大气环流、地貌水系以及深源气体释放等地球深部-表层响应变化和多圈层相互作用,对区域和全球气候环境变化产生了重要影响。针对青藏高原地表隆升和侧向扩展的生长过程,前人提出了多个模型,例如地壳缩短-走滑逃逸、下地壳通道流、岩石圈拆沉以及地幔整体对流等,但这些模型在地表隆升和侧向扩展的驱动机制方面存在显著区别,其中的一个焦点争议问题是高原生长动力学过程发生的深度(或尺度)。上述争议问题在青藏高原东南部的生长机制研究中表现得尤为突出,该地区自印度-亚洲大陆碰撞以来经历了多阶段生长过程,目前主要有两种观点。一种观点认为,青藏高原通过地壳缩短实现地表隆升,而后沿大规模走滑断裂体系逐步向东南方向扩展,其中走滑逃逸过程可能发生在岩石圈地幔尺度上;另一种观点则认为,青藏高原地表基本不变形,而是通过下地壳流动实现高原向东南方向的边界扩展,强调地壳尺度上的高原生长动力学过程。由此可见,厘清高原生长动力学过程发生的深度是区分上述模型的关键。综合运用地质、地球物理以及数值模拟等多学科研究方法,能够为理解高原生长动力学过程提供重要的信息,但目前仍缺乏能够有效指示高原生长动力学过程发生深度的地球化学指标。

针对上述科学问题,天津大学地科院徐胜教授团队与中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心、中国地震局地震预测研究所、美国伍兹霍尔海洋研究所以及日本东京大学等国内外科研机构的合作者,聚焦青藏高原东南部的主要活动断裂带和第四纪火山区(图1),系统研究了温泉气体的化学成分、He-C-N同位素组成以及定量计算模型,有效区分并厘清了温泉气体中幔源和壳源气体的贡献比例及其空间变化特征,建立了印度-亚洲大陆汇聚背景下深源气体释放与区域应力分布之间的耦合关系。在此基础上,结合区域构造与岩浆活动历史,探讨了中-晚中新世(13–10 Ma)以来青藏高原东南部侧向扩展和局部地表隆升的可能机制。该研究的主要认识如下。

1、青藏高原东南部深源气体释放的空间变化特征

基于温泉气体的He-CO2-N2元素和同位素组成特征,在腾冲地块和思茅地块的第四纪火山区以及青藏高原东南部的主要活动断裂带(鲜水河断裂、理塘断裂、三江断裂带和红河断裂)识别出显著的幔源气体释放现象(图2),表明青藏高原东南部存在一个岩石圈尺度的走滑断裂体系。其中,He同位素证据明确地指示部分活动断裂带的切割深度达到了岩石圈地幔,证实青藏高原东南部的侧向扩展过程发生在地幔尺度上。此外,在康定-磨西地区观察到的高3He/4He比值、高应变速率和贡嘎山快速剥露历史表明,受鲜水河断裂带走滑挤压作用控制的局部地表隆升也与地幔尺度的动力学过程有关。

2、印度-亚洲大陆汇聚背景下深源气体释放与区域应力分布的耦合关系

结合温泉气体3He/4He比值分布与区域应变速率场特征,建立了青藏高原东南部深源气体释放与区域应力分布的耦合关系。研究发现,沿印度大陆向亚洲大陆汇聚的方向(即,远离印度-亚洲汇聚边界的NE方向),三江断裂带、理塘断裂和鲜水河断裂的温泉气体3He/4He比值与采样点对应的应变速率表现出显著的正相关关系(图3),表明青藏高原东南部的边界断裂和内部断裂所承载的区域应力存在明显差异。位于高原边界的鲜水河断裂具有较高的剪切应力,有利于断裂深切岩石圈、断裂带渗透性增强以及幔源He的快速释放,即在地表采集的温泉气体中能观察到较高的3He/4He比值。相对来说,位于高原内部的三江断裂带和理塘断裂所承载的区域应力较低,温泉气体的3He/4He比值也相应较低。上述观测结果揭示了印度-亚洲大陆汇聚背景下青藏高原东南部区域应力分布的不均一性。

3、中-晚中新世以来青藏高原东南部的生长动力学过程

由于高原生长过程伴随着大规模构造运动和岩浆活动,并且深源气体释放对深部动力学过程具有较高的响应灵敏性,现今观测到的气体地球化学异常对于理解高原生长动力学过程具有重要的指示意义。在厘清现今深源气体释放与高原生长动力学过程的基础上,进一步结合区域构造与岩浆活动历史,探讨了中-晚中新世以来青藏高原东南部的可能机制和动力学模型。在该模型中,活动断裂带的启动时间(约为13–10 Ma)代表目前正在进行中的高原生长阶段的起始时间;在动力学机制上,中-晚中新世印度-亚洲大陆汇聚方向的转变、印度俯冲板块后撤以及由此导致的区域应力调整,可能触发并主导了13–10 Ma以来青藏高原东南部的侧向扩展和局部隆升,相关的地幔尺度动力学过程对高原生长起到了重要作用。

上述研究结果首次建立了深源气体释放与高原生长动力学过程之间的内在联系,证实了深源气体同位素组成(特别是3He/4He比值)是约束高原生长动力学过程及其发生深度的有效地球化学定量指标,为构建高原生长动力学模型提供了新的研究视角和重要参考资料。其研究进展之一,近期由天津大学张茂亮副教授等以题为Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau发表在Nature Communications上。

这项研究涉及的大量样品测试分析工作是依托中科院西北研究院气体同位素地球化学分析平台完成的。西北研究院油气资源研究中心及其前身兰州地质研究所是国内开展气体地球化学研究比较早的单位之一,尤其是在天然气形成理论、地质源温室气体释放、稀有气体地球化学及其应用等多个领域独具特色。与此同时,在主管部门的大力支持下,经过实验技术人员的不懈努力,逐步建成了针对几乎所有类型气体的化学组成和同位素特征的测试分析系列,测试设备得到及时的更新换代,样品处理技术完善配套,可以为国内外相关研究提供全方位的气体地球化学测试服务。NC论文的发表也从一个侧面显示,该实验平台的相关分析测试数据得到国际同行的认可。

文章信息:

Maoliang Zhang, Zhengfu Guo, Sheng Xu, Peter H. Barry, Yuji Sano, Lihong Zhang, Sæmundur A. Halldórsson, Ai-Ti Chen, Zhihui Cheng, Cong-Qiang Liu, Si-Liang Li, Yun-Chao Lang, Guodong Zheng, Zhongping Li, Liwu Li, Ying Li, 2021. Linking deeply-sourced volatile emissions to plateau growth dynamics in southeastern Tibetan Plateau. Nature Communications 12, 4157, DOI: 10.1038/s41467-021-24415-y

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24415-y


20210709170543_90929.png


 


20210709171054_89391.png

1 青藏高原东南部构造格局和深源He释放特征示意图

20210709171240_84277.png

2 青藏高原东南部温泉气体的3He/4He比值和δ13C值分布特征

20210709171307_47052.png

3 印度-亚洲大陆汇聚方向上的气体3He/4He比值和区域应变速率关系




上一条:陆相生油理论提出与发展 下一条:康世昌副院长来地球化学分析测试中心调研平台建设工作