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国家自然科学奖推荐书
2016-12-30

项目基本情况

 

  一、印度-欧亚大陆碰撞与喜马拉雅造山作用推荐意见  

  印度与欧亚大陆的初始碰撞是青藏高原形成演化研究最基础最重大的科学问题,是全球海陆格局一次大转换的起点。独特的喜马拉雅造山作用形成了巨型青藏高原深刻影响亚洲资源环境的形成。项目以大陆动力学理论为指导,以青藏高原多层圈相互作用为基本思路,综合采用构造地质学、地球物理学、岩石地球化学及古高度重建等方法,揭示大陆碰撞、大陆岩石圈俯冲、物质交换和高原隆升等喜马拉雅造山作用各关键过程。主要的科学研究贡献表现在: 

  1)印度与欧亚大陆碰撞的时间、方式和过程:提出并建立了雅鲁藏布江前陆盆地系统,系统揭示了印度与亚洲大陆于6500万年首先在青藏高原中部位置发生碰撞,然后向两侧逐渐关闭。 

  2)大陆岩石圈俯冲、深部圈层相互作用和地表响应:碰撞发生以来,印度大陆岩石圈连接新特提斯洋岩石圈完成从大洋到大陆俯冲的转换后,持续向北俯冲在青藏高原之下最终于渐新世在青藏高原中部再次与向南俯冲的欧亚岩石圈大致沿塔里木盆地西缘到喜马拉雅东构造结一线发生面对面的汇聚碰撞。与此同时在深部岩石圈碰撞的位置地表抬升形成了高达5000米的青藏高原中央分水岭山脉。 

  该项研究是衔接全球板块构造理论与大陆动力学理论的关键链条,推动了喜马拉雅造山作用和大陆碰撞成矿理论框架的完善,促进了青藏高原深部地球动力学–构造变形–高原隆升等多层圈相互作用等领域的研究,提出并发展一些重要的科学方法,成果得到国内外学术界的广泛认可,并得到广大的学者的引用和证实。 

  推荐该项目为国家自然科学奖二等奖。 

中国科学院青藏高原研究所 

  二、项目简介 

  印度与欧亚大陆的初始碰撞是青藏高原最基础最重大的科学问题,是全球海陆格局一次大转换的起点。独特的喜马拉雅造山作用形成了巨型青藏高原,深刻影响亚洲资源环境的形成以及生物演变。项目集成构造地质学、地球物理学、岩石地球化学的研究成果,揭示了大陆碰撞、大陆岩石圈俯冲、物质交换、高原隆升等喜马拉雅造山作用的独特过程。 

  直到上世纪末科学界普遍接受的观点是印度与欧亚大陆于5500-5000万年在喜马拉雅山西构造结首先碰撞,然后向东逐渐关闭,东部最晚3400万年碰撞。近十几年来,我们在青藏高原内的研究取得了重大进展:提出印度与欧亚大陆的碰撞在6500万年首先发生在中部位置,随后向两侧逐渐关闭。新碰撞模式把的碰撞时间提前了约1000-1500万年,这具有重大的意义。它预测喜马拉雅造山带自大陆碰撞后:(1)俯冲岩石圈将发生大规模的陆内俯冲;(2)产生大规模的陆内岩浆活动和成矿作用;(3)引起变形的远程效应。 

  喜马拉雅造山作用最显著的特征是印度大陆岩石圈在碰撞后随之俯冲到高原之下并与欧亚大陆岩石圈在高原腹地深部再次发生地幔岩石圈汇聚碰撞。(1)地震深部图像揭示这一巨型陆内俯冲碰撞带的结构特征:南部为印度岩石圈,北部为欧亚岩石圈,中间或多或少保留部分西藏岩石圈;(2)碰撞后岩浆性质呈现明显的分带性:南部和北部的钾质-超钾质火山岩分别具有印度和欧亚大陆亲缘性,中部钠质火山岩仍保留相对亏损的原始地幔源区特征;(3)在岩石圈汇聚碰撞的位置地表隆起形成青藏高原分水岭造山带,分割北部的太平洋水系和南部的印度洋水系。 

  国际著名喜马拉雅地质科学家Peter DeCelles等对新的碰撞模式给予了高度评价“将传统上所认为的初始碰撞时间提前了1000-1500万年”。Science专栏文章(Kind & Yuan2010)对大陆俯冲结构成果进行介绍“能清楚地看到亚洲与印度板块边界”。 

  该项研究成果是衔接全球板块构造理论与大陆动力学理论的关键链条,极大地推动了喜马拉雅造山作用的研究。相关成果发表在PNASTectonicsEPSLJPGC等著名刊物上。8篇代表性论文SCI他引857次。大陆碰撞时间成果是2010年国土资源科学技术一等奖重要组成部分,亚洲与印度板块边界成果入选2010年度中国科学院重要科研进展。    

   三、客观评价 

  印度-欧亚大陆碰撞与喜马拉雅造山作用系统性研究成果被后续国内外科学家的研究成果所证实,对青藏高原大陆动力学和高原形成演化的研究有重大深远的意义,不仅对青藏高原,而且对世界其它大陆碰撞造山带的研究都有模式意义。 

  1. 关于“印度与欧亚大陆的碰撞时间、方式与过程”的评价 

  数十位青藏高原研究专家从不同侧面对我们研究的关键剖面进行了详细的工作,在地学顶级刊物发表了十几篇专门论文(DeCelles et al., 2014Hu et al., 2015Wang et al., 2011Wu et al., 2014)。我们建立的桑单林剖面,已成为研究大陆碰撞的经典地区。著名地质学家吴福元研究员(院士)在桑单林剖面进行详细的碎屑锆石U-Pb年代学研究通过独立研究肯定了古新世早期碰撞的成果:在西部桑单林盆地,上白垩统地层以印度来源物质为主,亚洲冈底斯弧来源的物质在6000万年开始到达印度北缘,这一年龄限定了该地区印度-亚洲大陆碰撞的最小年龄,而对前人提出的<5400万年碰撞时间不予以支持。美国著名喜马拉雅地质学家DeCelles在相同的剖面研究印度-欧亚板块碰撞时间时,进一步确认了6500万年碰撞的正确性:这些观察支持桑单林盆地是印度和欧亚大陆岩石圈碰撞的结果……碎屑锆石和新发现的火山灰年龄表明源区转变发生在6000-5850万年之间。我们认为这一年龄代表亚洲和印度大陆岩石圈的接触。这一成果同样对碰撞造山成矿理论有着深刻的影响,我国著名矿床学家侯增谦研究员在总结大陆碰撞三阶段成矿理论(Hou and Zhang, 2015)时,将本成果应用到成矿系统中,印度-欧亚板块碰撞开始于6500万年 Ding et al., 2005),持续到~4100万年。主碰撞陆陆汇聚过程主要表现为印-亚大陆对接拼合(6500万年),……由碰撞造山引起的地壳加厚以及岩石圈剪切和地幔减薄引起的高热流和热流体,可能是导致大陆碰撞带发生大规模成矿的主要根源 我国著名古地磁专家北京大学黄宝春教授课题组(Yi et al., 2011)通过在特提斯喜马拉雅南亚带古地磁,支持了本成果提出的~6500万年碰撞时间,“详细的工作发现6500万年印度到北部弧源区的快速转变(Cai et al., 2011)。这清晰表明亚洲物质在碰撞阶段沉积到印度被动陆缘….特提斯喜马拉雅带和拉萨地体古地磁研究表明二者在6050万年时古纬度已经重叠。我们建议印度-亚洲大陆初始碰撞时间发生在白垩纪/早第三纪之交”。 

  该项研究还是国土资源部科学技术进步一等奖(2010)的组成部分(客观评价附件1),丁林因此还获得国土资源部青藏高原地质理论创新与找矿重大突破先进个人称号(客观评价附件2)。 

  2. 关于大陆岩石圈俯冲、深部圈层相互作用与地表响应的评价 

  国际著名青藏高原地质学家 Hacker et al.,2014)直接引用Ding et al.2003)的岩石和下地壳温度数据作为建立其青藏高原地壳部分熔融模型的基础和边界条件。La PapeNature Geo. 论文中引用“岩浆岩证据(Ding et al., 2003等)表明青藏高原北部地壳异常热的地壳发生了部分熔融”。Xia et al., (2014) 的综述性文章引用了文章观点“羌塘超钾质火山岩来自于岩石圈地幔的熔融(Ding et al., 2007)”(附件5-6P74)。著名青藏高原地质学家王成善教授(院士)(Wang et al., 2008)直接引用Ding et al.2003)解释超钾质火山岩的成因。Replumaz 2014年发表的论文中4次引用Ding et al., 2007)观点和数据佐证其地球物理观测结果,指出全面揭示大陆碰撞过程,特别是大陆岩石圈的深俯冲过程,其意义不仅仅在于揭示喜马拉雅造山带的形成和青藏高原的隆升历史,而且要架设板块构造登陆,该科学方向将是国际地学界持续探索的重大前沿问题(获基金委重大项目支持)。 

  Kind & Yuan 2010)在 Science的专栏文章(客观评价附件3)中指出通过接收函数的方法,亚洲与印度板块边界可以清楚的看到(Zhao et al., 2010)。在两个岩石圈的交界处有明显的岩石圈软流圈界面(LAB)跃变,从印度这边的200公里深度上升到亚洲这边的150公里深度。地震各向异性在西藏南部地区比较弱,但是在西藏东部和中部地区则要强烈多(Zhao et al.,2010国际喜马拉雅和西藏高原深剖面中方首席科学家赵文津院士在其Nature Geo. Zhao et al., 2011)论文中指出印度与青藏高原的南部边界展示出了一种标准的大陆俯冲模式,那就是印度大陆岩石圈向北俯冲到了青藏高原之下(Zhao et al., 2010 该结果被评为2010年度中国科学院重要科研进展(客观评价附件4)。著名青藏高原地质学家王成善教授(院士)在其评论文章中直接引用独立的古高度结果认为拉萨和羌塘地块在始新世时已达到其现今高度来佐证其提出的青藏高原始新世原高原模型(Wang et al., 2014)。定量的羌塘地块始新世古高度已成为研究青藏高原陆内俯冲过程岩浆响应、构造变形和隆升机制的关键边界条件(Chen et al., 2013Zhang et al., 2015)。 

    四、论文专著目录 

  1. 代表性论文专著目录(不超过8篇) 

  补充说明(视情填写): 

  承诺:上述论文专著用于推荐国家自然科学奖的情况,已征得未列入项目主要完成人的作者的同意。知识产权归国内所有,且不存在争议。 

  第一完成人签名: 

  五、主要完成人情况表 

  六、完成人合作关系说明 

  1、所有完成人均来自中国科学院大陆碰撞与高原隆升重点实验室。丁林、赵俊猛中国科学院青藏高原研究所中国科学院大陆碰撞与高原隆升重点实验室正副主任,领导实验室工作,确定实验室研究方向。从2002年青藏高原研究所建立起,丁林负责构造地质方向,赵俊猛负责地球物理方向,学科互补,共同承担各类项目的研究。丁林作为第一,赵俊猛作为第二负责人,承担了中国科学院知识创新工程重要方向项目:青藏高原陆内俯冲与造山作用KZCX3-SW-143,重要科学发现2为该项目成果的一部分。该项目是代表性论文27的第一资助项目。丁林还是代表性论文2的共同作者之一。 

  2、许强和蔡福龙都为丁林指导的博士生,一直参与该项目各方面的工作,许强主要负责青藏高原古高度的研究,是代表性论文6的第一作者和通讯作者。蔡福龙副研究员主要负责特提斯演化和印度-亚洲碰撞过程的研究,是代表性论文7的第一作者,丁林是该论文的通讯作者。 

  3、张衡是赵俊猛指导的博士生,一直跟随赵俊猛参加青藏高原“羚羊计划”的工作,主要负责青藏高原岩石圈结构的研究,是代表性论文8的第一作者和通讯作者,赵俊猛是该论文的共同作者。 

  第一完成人签名:           

  完成人合作关系情况汇总表 

  承诺:本人作为项目第一完成人,对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责,特此声明。 

  第一完成人签名:       

  七、知情人同意证明 

     

     

 

 
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