Nature:匯聚板塊邊緣逆衝剪切力控制著山脈高度

Nature：匯聚板塊邊緣逆衝剪切力控制著山脈高度

山脈作為地球上主要的地貌之一，構成了世界地形的「骨架」。它們通常受到構造擠壓作用而形成，因此重要山脈大多發育在板塊匯聚帶。但是，控制山脈高度的因素很多且存在爭議，幾十年來一直困擾著地球科學家。加拿大地質調查局王克林研究員總結了三個主要作用（圖1）：（1）構造作用力，既可以防止山脈在重力作用下垮塌，也會阻礙它們被推得無限高；（2）氣候控制的侵蝕作用，主要通過移除高海拔地區的物質來限制山脈的高度；（3）地殼均衡作用，它使山脈及其之下的巖石圈浮在軟流圈之上，並對山脈質量的增減產生反饋 (Wang, 2020)。雖然這三種過程共同維持著山脈的高度，但到底是侵蝕力還是構造力起著一級控制作用，並未達成共識。

圖1控制匯聚構造板塊邊界附近山體高度的三種過程(Wang, 2020)

隨著研究的深入，越來越多的學者認為主要是氣候作用控制著山脈的高度。Brozovic et al. (1997) 將喜馬拉雅山脈西構造結位置劃分為多個區域，通過對比研究發現整體地貌的形成很大程度上取決於構造力，但在雪線附近區域，冰川作用抑制了高程的增加和地形起伏，與構造作用的速率無關。氣候不僅影響山脈隆升，引起氣候新一輪變化，還可以影響並控制構造的演化（Molnar and England, 1990）。例如，喜馬拉雅山脈的物理及數值模擬實驗表明，氣候造成的快速剝蝕作用可導致下地殼熱而軟的物質沿通道向南流動並出露地表（圖2）。

圖2 喜馬拉雅地區受侵蝕作用驅動的變形過程（Beaumont et al., 2001; Whipple, 2009）

近期德國波茨坦地學研究中心的Armin Dielforder等人在Nature上發表論文（Dielforder et al., 2020），對分布在不同緯度範圍(～53°N- ～40°S)、覆蓋明顯不同氣候條件的10個匯聚板塊邊緣的山脈高度與相關的構造應力進行了分析對比，提出構造剪切應力大小控制山脈的高度，從而重新強調了構造在控制匯聚板塊邊界處山脈高程上的主導作用。

圖3 研究的10個山脈位置（Dielforder et al., 2020）。圖中序號：1.卡斯卡迪亞（Cascadia）北部。2.安第斯山（23°S）。3.安第斯山（34°S）。4.安第斯山（36°S）。5.蘇門答臘北部。6.堪察加半島。7.日本島弧。8.日本南海海槽。9.希古朗伊山（Hikurangi）北段。10. 喜馬拉雅山。

首先，他們將俯衝帶簡化為分段流變模型，計算了沿大型逆衝斷層的剪切應力(Fs)。該模型將大型逆衝斷層分為上摩擦段和下粘性段，它們在半摩擦行為區合併，通過對沿各斷層段的剪切力積分計算獲得最終的剪應力Fs（Gao and Wang, 2014），其大小主要取決於斷層強度和摩擦-粘滯過渡的深度（圖4）。

其次，他們使用力學平衡模型，由流變模型推導的Fs值計算出了構造力可以的支撐山體高度（TSE），並與山脈的最大平均高程（MME）做對比。在所有研究區內，兩個高程值在誤差範圍內是近似相等的。MME和TSE之間的一致性表明，所有這些山脈的高度大致符合力學平衡（圖5）。

圖4 匯聚板塊邊緣的運動過程和地形簡圖（Dielforder et al., 2020）。a.當一個板塊被壓在另一個板塊之下時，板塊匯聚就得以實現。大型逆衝斷層構成板塊界面，並被劃分為摩擦、半摩擦和粘性段。剪切力Fs是沿大型逆衝斷層的整體剪應力，並平衡板緣地形（margin relief）的重力Fg產生的差異應力。b.對於俯衝帶而言，板緣地形是海溝與最大平均高程(MME)之間的高程差，其中MME是主要地形分水嶺周圍的平均高程。對於沒有海溝的碰撞區域，板緣地形近似等於MME。

圖5 a.最大平均高程與構造支撐高程對比；b.最大平均海拔與剪切力分量的比較。碰撞造山帶中，無海平面以下地形，則ΔFs=Fs（Dielforder et al., 2020）

對於大多數洋-陸俯衝帶，TSE落在大約0.6-1.7km的範圍內。在典型的俯衝帶，由於巖石圈的彎曲和上下板塊的密度差異，就需要巨大的逆衝剪切力來支撐板緣地形。沿大型逆衝斷層的剪切應力Fs可以細分為兩個分量，第一個分量FSMT用於支持板緣地形在海平面下的部分，而另一個分量ΔFs則用於維持海平面之上的山脈高度。所以，對於喜馬拉雅這種碰撞造山帶，因為這裡沒有需要維持的海底地形，同樣的沿大型逆衝斷層的剪切力便會形成更高的山脈。

作為侵蝕作用控制山脈高度的最具代表性的模型，「冰川鋸」模型中無論地殼構造作用如何，冰川侵蝕和均衡抬升均會使山脈的高度保持在受氣候控制的雪線高度（Egholm et al., 2009）。但是，Dielforder et al. (2020)的研究涵蓋了卡斯卡迪亞（Cascadia）、堪察加半島和喜馬拉雅等不同冰川山脈，它們的MME與TSE相對應，證明高程上的巨大差異主要來自ΔFs差異，進而不支持冰蝕作用對山體高度的一階控制觀點。

Dielforder et al. (2020) 的定量化研究為山脈高度的構造控制論注入了一針強心劑，但由於研究區域有限，需要更多的證據支持；同時也得出了一些重要推論，例如，在山脈之下水平擠壓和垂向重力是均衡的。只有這樣，構造應力才能控制山體的高度。然而，由於氣候可以產生快速剝蝕，而構造應力積累時間較長，為補償剝蝕帶來的山體質量缺失，他們的模型中需要俯衝帶上盤的地殼處於破裂的臨界狀態，才能通過斷裂作用不斷疊置地殼巖石，來抬升山脈的高度，進而維持水平擠壓和垂向重力的均衡狀態。但這顯然與傳統的上地殼脆性強度認識是不同的，即巖石破裂由差異應力導致，且水平應力要遠高於垂向應力。雖然地殼應力在某些俯衝帶附近確實幾乎是「中性」的（Wang et al., 2019），但這樣的地殼應力狀態是否普遍存在？Dielforder等人的工作為後續研究提供了一個新的思路，為了進一步證實「力學臨界地殼」這個設想，還需要大量的觀測和理論研究去揭示更多匯聚板塊邊界的地殼應力狀態和強度。

【致謝：感謝巖石圈室陳凌研究員、梁曉峰副研究員的意見和建議。】

主要參考文獻

Beaumont C, Jamieson R A, Nguyen M H, etal. Himalayan tectonics explained by extrusion of a low-viscosity crustalchannel coupled to focused surface denudation[J]. Nature, 2001, 414(6865):738-742.

Brozovic N, Burbank D W, Meigs A J. Climatic limits on landscapedevelopment in the northwestern Himalaya[J]. Science, 1997, 276(5312): 571-574.

Dielforder A, Hetzel R, Oncken O. Megathrust shear force controlsmountain height at convergent plate margins[J]. Nature, 2020, 582(7811):225-229.

Egholm D L, Nielsen S B, Pedersen V K, et al. Glacial effectslimiting mountain height[J]. Nature, 2009, 460(7257): 884-887.

Gao X, Wang K. Strength of stick-slip and creeping subductionmegathrusts from heat flow observations[J]. Science, 2014, 345(6200):1038-1041.

Molnar P, England P. Late Cenozoic uplift of mountain ranges andglobal climate change: chicken or egg?[J]. Nature, 1990, 346(6279): 29-34.

Wang K, Brown L, Hu Y, et al. Stable forearc stressed by a weakmegathrust: Mechanical and geodynamic implications of stress changes caused bythe M= 9 Tohoku‐Oki earthquake[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2019, 124(6): 6179-6194.

Wang K L. Force takes control in mountain-height debate[J]. Nature,2020, 582: 189-190.

Whipple K X. The influence of climate on the tectonic evolution ofmountain belts[J]. Nature Geoscience, 2009, 2(2): 97-104.

（撰稿：辛光耀，褚楊/巖石圈室）

校對：李玉鈐