青藏高原增厚但成分性浮力地幔岩石圈的引力不稳定性及其构造-岩浆演化意义

针对青藏高原岩石圈增厚与东-西向伸展的动力学矛盾，Gregory A. Houseman团队通过数值模拟揭示了地幔岩石圈受限翻转（restricted overturn）机制。该研究提出成分性浮力（compositional buoyancy）的亏损地幔岩石圈可通过局部对流实现热输入与熔体迁移，调和了高剪切波速度（VS）与火山活动的观测矛盾，为高原隆升-扩展转换提供了新解释。

　　

青藏高原作为地球上最壮观的地形之一，其演化机制长期困扰着地质学家。尽管印度-欧亚大陆持续55百万年（Myr）的碰撞导致地壳增厚至60-75公里（km），但高原现今却出现东-西向伸展现象，这与传统碰撞造山模型相悖。更令人费解的是，地震面波成像显示高原下方200公里深处仍存在高剪切波速度（V_S）的冷地幔，而同期广泛分布的钾质火山岩（如羌塘地块45-29 Ma）又暗示地幔热活动。这种“冷地幔与热火山”的矛盾成为理解高原动力学的关键难题。

为解决这一矛盾，Gregory A. Houseman、Philip C. England等研究者提出创新性假说：青藏地幔岩石圈虽因熔体抽取具有成分性浮力（compositional buoyancy），但其内部仍可发生受限翻转（restricted overturn）。通过二维粘性流体数值模拟，团队发现当岩石圈密度亏损参数α=0.1时，局部对流能在保留高V_S层的同时，将热物质上涌至岩石圈底部，触发火山活动并导致地表抬升。这一机制完美解释了为何高原既有深部冷地幔保存，又出现浅部热异常与伸展构造。

关键技术方法
研究采用基于basil软件库的粘性流体动力学模拟，构建包含地壳（cr）、地幔岩石圈（ml）和软流圈（as）的三层模型。通过设定不同成分性浮力参数α（0-0.15），分析温度场与速度场的演化。模型忽略热扩散，聚焦于Rayleigh-Taylor不稳定性引发的对流过程，时间尺度覆盖10 Myr。

研究结果

1. 数值实验：当α=0时，模拟显示典型对流减薄（convective thinning），地幔岩石圈在10 Myr内被完全置换；而α=0.1时，仅发生局部翻转，形成“蘑菇云”状上升流，与青藏观测吻合。
2. 讨论：成分性浮力使岩石圈密度低于原始上地幔（PUM），但热扰动仍可触发翻转。该过程能同时解释：① 深部高V_S层的保留；② 钾质岩浆的广泛分布；③ 中中新世（10-15 Ma）以来的伸展构造。
3. 结论：青藏岩石圈演化是“热-力-化学”耦合过程，受限翻转机制为全球古老克拉通（如南非Kaapvaal）的稳定性研究提供新视角。

重要意义
该研究颠覆了传统“全地幔拆沉”模型，首次将成分性浮力纳入高原动力学框架。其创新性体现在：① 调和地震学与岩浆学观测矛盾；② 提出岩石圈翻转可导致瞬时隆升（transient uplift）；③ 为高原东-西向伸展提供力学基础。成果发表于《Tectonophysics》，为大陆碰撞带深部过程研究树立了新范式。