2.5億年前，地球板塊就像一塊巨大的拼圖，所有大陸拼貼在一起，科學家們稱它為盤古超級大陸（圖1）。此後，這個大陸逐漸裂解，自約1.5-1.3億年前開始，印度大陸從南半球岡瓦納超級大陸（盤古超級大陸的南半球部分）快速裂離，在恐龍大滅絕之後，和北半球的歐亞大陸開始發生持續擠壓碰撞（圖2），青藏高原逐漸隆升並發生變形。在這個過程中，作為青藏高原生長的最年輕部位-高原東北部地區又是如何響應這個持續碰撞過程的呢？
科學家們聚焦盆地內的沉積物——構造和古氣候的「見證者」，利用其記錄的磁組構，反映的古應力變化揭示遠程響應過程。
圖1 盤古超大陸復原圖（圖片源自網絡）
圖2 印度-歐亞大陸碰撞前夕，地表及岩石圈示意簡圖（圖片來源：中科院青藏高原所丁林）
岩石體內的「小磁針」
自然界中，絕大部分岩石中都有磁性礦物。在岩石體內，生長著一根根「小磁針」（磁性礦物），可以感應地球磁場。這些磁性礦物顆粒形態各異，有的像雞蛋，有的像筷子等。這種岩石內部磁性礦物分布排列方式被稱為磁組構。磁組構受沉積時的古流向或者古風向及沉積後的古應力變化等影響，通過分析岩石的磁組構特徵，可以恢復岩石形成時期沉積環境或構造環境變化等特徵。
在岩石形成過程中，磁性礦物顆粒受環境影響導致排列方式不同。對於水成沉積物（圖3a-b），如果是較深的湖泊靜水環境，就像一把筷子被隨意仍到地上，筷子凌亂分布，沒有趨向性，岩石磁性礦物顆粒的長軸（磁線理）不發育；如果是緩慢流動的弱水流環境，磁性礦物顆粒的長軸往往平行於河水的流動方向排列；在強水流環境下，磁性礦物顆粒會發生滾動，導致其長軸垂直於水流方向。對於岩漿岩（圖3c），磁性礦物顆粒的長軸順著岩漿的流動方向排列，通過分析岩漿岩的磁組構，可以確定岩漿的流動方向，進而限定古火山口的位置。對於風成沉積物，比如黃土 (圖3d)，其磁性礦物顆粒的長軸一般平行於風向。
此外，在青藏高原等構造活躍區，沉積岩固結成岩時/後，受較弱的構造變形，如水平方向擠壓或伸展影響，磁性礦物顆粒的長軸會垂直於擠壓方向或平行於拉伸方向排列。因此，對於沉積岩磁組構，其磁線理特徵有可能是由沉積過程中的水流作用導致的，也可能是弱構造變形作用導致，二者特徵比較相似，有時很難區分。但是，無論磁組構揭示的是古水流方向或古應力方向，其轉變都應該跟該地區的構造活動密切相關。
圖3（a，b）河流-湖泊相沉積地層，（c）岩漿岩，（d）風成沉積-黃土（圖片a，b來自中科院青藏高原所，圖c，d來自網絡）
「小磁針」指示板塊應力變化
在青海柴達木盆地與祁連南山之間（柴北緣），出露了厚約5000多米的記錄了5千4百多萬年以來區域構造和古氣候環境變化的完整的河湖相沉積地層。中科院青藏高原所新生代環境團隊顏茂都研究員等對柴北緣中部紅柳溝地區的這些「構造和古氣候的記錄者」開展研究。在利用沉積岩中的「小磁針」捕捉5千4百萬年來的磁組構變化時，他們發現了磁組構長軸方向在3千3百萬年以前為近東-西向，到1千萬年前後逐漸轉變為北西-南東向，發生了近45度的順時針旋轉（圖4）。
因為泥岩和粉砂岩等是反映弱水流沉積環境為主的細顆粒沉積岩，如果磁組構記錄的是古水流方向，那麼其長軸方向應該與實測古水流方向大致平行。但通過剖面底部和頂部存在的小石頭（礫岩）的疊瓦狀分布（就像農村屋頂的瓦片）實測古水流方向，早期古水流方向為南向，後期為南西向，其與磁組構長軸方向並不一致。而早期磁組構長軸方向與印度板塊向歐亞板塊俯衝和碰撞方向近乎垂直，進一步說明磁組構長軸方向反映的不是古水流方向，而與岩石在形成時/後不久的擠壓應力有關。因此，柴北緣地區新生代擠壓應力方向發生了近45度的順時針旋轉，由3千3百萬年以前與印度板塊向歐亞板塊俯衝碰撞方向一致的近南-北向，逐漸轉變為1千萬年左右的北東-南西向（圖4）。
圖4 紅柳溝剖面新生代磁偏角方向（綠點）、實測擠壓應力方向（藍點）和旋轉變形校正後擠壓應力方向（紅點）變化特徵（圖片來源：中科院青藏高原所）
綜合分析區域地質證據，科學家們推斷，距今約3千3百萬年至1千6百萬年期間，青藏高原北部邊界阿爾金斷裂帶響應印度-歐亞板塊碰撞，可能以純剪切變形為主；此後，變形轉換為擠壓走滑變形為主，期間不光導致了約220至280公里的滑移，還導致柴北緣地區發生順時針旋轉及擠壓應力方向變化。該工作為這個控制高原東北部演化的阿爾金斷裂帶的走滑模式和發生時間及幅度提供了新的限定，為認識青藏高原隆升變形模式提供了新的證據。
該成果近日正式發表於構造地質學領域權威期刊《大地構造學》（Tectonics）。
論文連結：http://dx.doi.org/10.1029/2019TC005989
來源：中國科學院青藏高原研究所