田小波等-EPSL: 青藏高原東北緣向東擴展到哪了？——來自短周期密集臺陣的地震學研究
自新生代以來，歐亞大陸南緣在印度大陸持續向北的推擠下，青藏高原的高原面逐漸向北擴展。由此，一些研究認為：只要印度持續向北擠壓，高原還會不斷向北擴展。而另一部分研究認為：高原的北邊界是固定的，只有先天較弱的區域才會變形成為高原，因此隨著高原南邊界不斷向北推移，高原南北向跨度會逐漸變小。目前東北緣是高原地殼變形、增厚最為強烈的區域。在東北緣的活動構造研究發現斷裂活動時間由高原邊緣向周緣的克拉通內部呈現由老到新的規律，由此認為高原已逐漸向克拉通內部擴展。從大尺度的地形梯度來看，高原東北緣東北方向地形梯度（若爾蓋-西秦嶺-隴西盆地-鄂爾多斯西南緣）與高原的東南緣非常相似，一些研究認為這種由高到低的緩慢地形趨勢代表了高原物質通過中、下地殼的通道流向高原周緣的擠出或逃逸，梯度指示高原擴展的方向。然而，近年來多個地殼速度結構成像研究顯示高原東北緣東部中下地殼沒有明顯的低速層存在。
位於隴西盆地和鄂爾多斯塊體邊界處的六盤山被認為是高原與外部克拉通的天然分界，它和北祁連是現今東北緣地殼變形最為強烈的區域，最顯著的變形或抬升的起始時間為晚中新世（～10Ma和～8Ma）。多個研究提出了不同的模型來解釋六盤山的抬升機制，諸如：逆衝推覆模型、構造沉積縮短增厚模型、地殼擠入模型等。為了研究六盤山抬升的深部過程、約束高原的側向生長方式，巖石圈演化國家重點實驗室殼幔結構探測學科組的田小波研究員和白志明副研究員等人跨六盤山實施了短周期密集臺陣天然地震觀測（圖1），提取接收函數進行結構成像，結合地震活動性及重力布格異常，探測隴西盆地、六盤山及鄂爾多斯西南部的殼幔深部結構。研究結果表明（圖2）：鄂爾多斯西南緣地殼沒有發生明顯變形，厚度約為50km，呈楔狀擠入隴西地殼；在隴西盆地內部的地殼也沒有發生明顯變形，厚度僅為50km；地殼變形僅局限在六盤山附近很窄的範圍內，即隴西盆地上地殼向東分別沿六盤山斷裂和小官山斷裂逆衝到鄂爾多斯地殼之上，而下地殼向東俯衝至鄂爾多斯地殼下方，六盤山下方地殼增厚至60km，在高壓作用下，山根發生了部分磂輝巖化。
圖1 青藏高原東北緣及鄂爾多斯的地形和主要斷裂（白線）分布。紅線為短周期密集臺陣的位置。AB: 阿拉善塊體；HYF:海原斷裂；KLF: 崑崙斷裂；LJSF:拉吉山斷裂；LPS: 六盤山；LPSF:六盤山斷裂；LS: 拉薩塊體；LSF:羅山斷裂；OB:鄂爾多斯盆地（或塊體）；QB:柴達木盆地（或塊體）；QL:祁連造山帶；QT:羌塘塊體；RYSF:日月山斷裂；SCB:四川盆地（或塊體）；SG:松潘甘-孜褶皺帶；TB:塔裡木盆地；TJSF:天景山斷裂；TS:天山褶皺帶；WQ:西秦嶺造山帶；WQLF:西秦嶺斷裂；XGSF: 小關山斷裂；YTSF:煙筒山斷裂
圖2 接收函數地殼結構成像和卡通解釋圖。(a)接收函數成像。紅色振幅帶表示地震波速度界面，其下方的速度大於上方的速度。W1、E1分別表示隴西盆地和鄂爾多斯上、下地殼的分界面；W2、E2分別指示隴西盆地和鄂爾多斯的Moho面；C1和C2指示六盤山下方殼內振幅較弱的傾斜界面。(b)卡通解釋圖。實線是根據(a)中的界面所繪，虛線為推測；紅色虛線表示的逆衝斷層是根據側線附近歷史地震分布繪製；榴輝巖化(eclogitization)是根據重力均衡、重力布格異常擬合及弱轉換波振幅的推測
「作為」青藏高原的東北緣的一部分，隴西盆地為什麼沒有明顯變形？為什麼形成相對較窄的六盤山？本項研究對比了高原周緣不同區域高原內、外地形、地殼厚度變化與中、下地殼地震波速度的關係（圖3）。對比顯示：高原邊界兩側大的地形差和地殼厚度差異，都對應較大的中、下地殼S波速度差異；而向六盤山這樣兩側海拔和地殼厚度都沒有明顯差異的邊界，其中、下地殼S波速度差異較小。
圖3 高原邊緣與周邊塊體地殼S波速度對比。STB:塔裡木盆地南緣；SWOB:鄂爾多斯盆地西南緣；WKL:西崑侖；LMS:龍門山；其他縮寫見圖1的注釋。(a)高程剖面（白虛線）和用來計算平均速度的區域範圍（不同顏色的閉合曲線）的位置分布。S波速度主要來自Yang et al. (2012)；(b)和(j)中的橘色和黑色虛線所示的S波速度來自Liu et al. (2014); (b)、(h)和(i)中的淡藍色、綠色及藍色虛線表示的S波速度來自Wang et al. (2017)
由此本項研究認為（圖4）：高原周緣能否擴展（側向生長）取決於高原周緣的中、下地殼的強度（與地震波速度成正比）。弱的地殼很容易在高原的擠壓下縮短增厚，成為高原的一部分，並在高原與堅硬的克拉通地殼分界處形成陡峭地形和地殼厚度的突變；而相對較硬的地殼（如隴西盆地），在高原的擠壓下很難發生地殼增厚，但在擠壓作用下，它與外側的克拉通地殼發生硬-硬擠壓，形成較窄的山脈（如六盤山）。由隴西盆地的地殼厚度、速度結構以及地形來看，它還沒有成為高原的一部分，而真正的高原邊界在隴西盆地的西側和南側
圖4 不同地殼強度高原邊緣的變形方式。(a)和(b)顯示弱的高原邊緣可在大範圍內發生地殼縮短增厚和高原側向生長，如西崑侖、祁連山和龍門山。(c)和(d)顯示較強的高原邊緣在擠壓作用下，變形微弱，僅在邊界處發生變形並形成窄的山脈，如在隴西盆地和鄂爾多斯之間形成的六盤山
研究成果發表於國際權威學術期刊EPSL。 (Xiaobo Tian*, Zhiming Bai, Simon L.Klemperer*, Xiaofeng Liang, Zhen Liu, Xiao Wang, Xusong Yang, Yunhao Wei,Gaohua Zhu. Crustal-scale wedge tectonics at the narrow boundary between theTibetan Plateau and Ordos block. Earth and Planetary Science Letters, 2021,554, 116700. DOI:10.1016/j.epsl.2020.116700)
校對：李玉鈐