裂谷联结与继承性对碰撞造山带演化的控制作用及其地球动力学意义

《Nature Communications》：Rift linkage and inheritance determine collisional mountain belt evolution

本文针对碰撞造山带三维复杂性（如地形、走向和变形模式沿走向变化）与先存伸展构造之间的关系不清的问题，研究人员通过3D地球动力学模型耦合地表过程模型，开展了裂谷联结控制裂谷反转与造山带演化的研究。结果表明，初始造山带结构受继承盆地几何形态控制，后期生长受俯冲极性支配，而俯冲极性取决于盆地错动幅度和先存构造弱带。该研究建立了地形与深部岩石圈结构的直接联系框架，揭示了伸展继承性对地球造山作用的影响。

　　

在地球漫长的地质历史中，高耸入云的山脉不仅是壮丽的自然景观，更是地球内部动力学过程与地表相互作用的直接见证。诸如欧洲的比利牛斯山、阿尔卑斯山、大高加索山脉和阿特拉斯山脉等著名的碰撞造山带，并非凭空拔地而起，它们通常是由碰撞前已经存在的伸展盆地（即裂谷盆地）经过构造反转（inversion）作用而形成的。这些造山带在三维空间上展现出显著的复杂性，沿着山脉的走向（along-strike），地形起伏、山脉走向本身以及变形样式都存在明显的变化。然而，这些令人着迷的特征与先存（inherited）的伸展构造架构（extensional architecture）之间究竟存在何种内在联系，长期以来一直是地质学家们试图解开的一个谜团。理解这种关系，对于揭示山脉从孕育、诞生到成长的完整生命史至关重要。

为了回答这一关键科学问题，一项发表在《Nature Communications》上的研究应运而生。研究人员独辟蹊径，利用三维（3D）地球动力学模型（geodynamic models）并与一个景观演化模型（landscape evolution model）相耦合，系统地探究了碰撞前的裂谷联结（rift linkage）如何控制裂谷的反转过程以及后续造山带的演化轨迹。这项研究旨在揭示深部地幔动力学与地表地貌塑造之间的内在桥梁。

为了开展这项研究，作者主要依赖于几个关键的技术方法。核心是构建三维地球动力学模型来模拟岩石圈尺度的构造过程，并将其与一个能够模拟地表侵蚀、沉积等过程的地貌演化模型进行耦合。这种耦合模拟是理解构造-气候-地表过程相互作用的关键。研究通过设定不同的初始条件，如具有不同分段和偏移特征的裂谷盆地几何形态，来模拟它们的反转过程。

研究结果清晰地揭示了造山带演化的两个主要阶段。首先，初始造山带结构反映继承的盆地几何形态。模拟结果显示，造山带在初始阶段的结构，包括主要断裂的分布和隆升的核心区域，严格受控于先存裂谷盆地的几何形态。早期变形优先集中在先存裂谷的薄弱地带，使得山脉的初始骨架直接“烙印”了古老伸展盆地的轮廓。

随后，后期生长受俯冲极性支配。随着碰撞作用的持续，造山带的进一步生长和演化不再仅仅由先存构造决定，而是转而由俯冲极性（subduction polarity）主导。所谓俯冲极性，即是指一个板块俯冲到另一个板块之下的方向性。模型表明，这种俯冲极性的选择和稳定性，强烈依赖于两个关键因素：一是先存裂谷盆地之间的偏移（offset）幅度，二是盆地周边是否存在其他先存的结构性薄弱带（pre-existing structural weaknesses）。这些因素共同影响了地壳和岩石圈在挤压应力下的变形方式，从而决定了山脉是均衡生长还是出现不对称发展。

将模型结果与自然界中的实例进行对比，研究发现大高加索山脉、阿特拉斯山脉和比利牛斯山脉观察到的沿走向变化，都可以用分段且存在偏移的裂谷盆地发生反转来合理解释。这证实了模型的预测能力及其对理解真实造山带的有效性。

基于这些深刻的见解，该研究提出了一个简洁的诊断性框架。这个框架在山脉的地形特征（可直接观测）与深部难以直接探测的岩石圈结构之间建立了直接的联系。它展示了如何通过分析地表形态来推断深部的构造 inheritance，从而深化了对地球上山脉建造过程的理解。

归纳而言，这项研究得出结论：碰撞造山带的演化是一个受先存构造和持续动力学过程共同控制的阶段性过程。初始格局由继承的伸展盆地几何形态奠定，而后续的演化路径和最终形态则深受由盆地偏移和先存弱带所影响的俯冲极性所支配。该研究的重大意义在于，它通过先进的数值模拟，量化了伸展继承性（extensional inheritance）在碰撞造山作用中的关键角色，将浅表地形与深部过程有机地联系起来。所提出的诊断框架为解读全球众多造山带的复杂结构提供了一把新的钥匙，极大地推动了对于地球动力学和地貌演化之间相互作用的认识。