温泉揭示了板块在下方碰撞的位置

在造山的经典例子中，亚洲板块碰撞——并在今天继续碰撞——形成了世界上最大和最高的地质结构：喜马拉雅山脉和青藏高原。

尽管这些地层很重要，它们通过大气环流和季节性季风影响全球气候，但专家们提出了相互矛盾的理论，即地表以下的构造板块如何创造了标志性的庞然大物。现在，利用来自 225 个温泉的地球化学数据，科学家们绘制了和亚洲板块之间的边界，揭示了地表以下深处发生的过程。这些发现对矿物形成有影响，发表在本期《国家科学院院刊》上。

“地质学家之间的一个主要争论是碰撞是否看起来像海洋碰撞，”资深研究作者、斯坦福大学地球、能源与环境科学学院 (斯坦福地球) 的地球物理学教授 Simon Klemperer 说。“因为测量太少，地震学没有给我们答案——这就是为什么我把地球化学作为一种完全不同的测量方法。”

Klemperer 花了十年的大部分时间前往和收集样本，以支持他的理论，即冒泡到地表的化学物质可以用来了解 50 英里以下发生的事情。他和他的同事在山脉和高原上追踪了数百英里的偏远地热泉——大约是从加拿大到西部的墨西哥的距离

使用不与其他化学物质反应的惰性气体氦，研究作者确定了哪些泉水起源于每个板块。当气体来自热地幔(亚洲板块)时，一个氦同位素特征显示，而另一个特征则表明板块的温度要低得多。研究表明，较冷的板块仅在喜马拉雅山脉下方的南部被发现，而在更北的地方，不再接触其上方的——它与被一块热地幔隔开。结果表明，关于板块平坦地位于之下的古老理论不再成立。

“令人惊讶的是，我们现在在100公里深的板块边界上方的表面上拥有这个非常明确的边界，仅几公里宽，”克伦佩勒说。

俯冲与碰撞

在海洋俯冲中，当较冷、较重的板块潜入板块并下沉时，地下物质会被回收到地幔中。这个过程发生在像火环这样的区域，该区域以频繁的地震和活火山而闻名。

在碰撞中，研究人员假设海洋地壳的俯冲将两个拉得更近，直到它们发生碰撞，从而关闭了俯冲带，从而发生了造山。以下边界的这一证据引入了地壳正在释放流体和融化的可能性——就像在海洋俯冲中发生的那样。

“这表明我们不应该将碰撞和海洋俯冲视为两个不同的事物——我们应该将它们视为具有不同风味的同一事物，因为在几何上，它们看起来是相同的，”Klemperer 说。

构造海变

在 1960 年代，板块构造理论通过解释地质板块如何相互分离和相互移动，从而导致造山、火山爆发和地震，从而彻底改变了地球科学。但研究人员对板块为何以它们的方式移动知之甚少。

Klemperer 说，新发现增加了一个重要的理解要素，对控制驱动板块构造的对流的潜在影响。他说，尽管这是一次碰撞，但板块潜入地幔有助于控制对流模式——它改变了我们理解元素和岩石类型如何在地球上分布和重新分布的方式。

该研究建立在先前的研究基础上，在之前的研究中，克伦佩勒和他的同事使用地震数据对喜马拉雅碰撞带进行了成像，发现随着构造板块从南方移动，板块最厚和最强的部分会下降到青藏高原下方并导致撕裂板块。那些眼泪与温泉中的氦通量位于同一位置。

“我们通过这些不同的镜头看到了相同的过程，我们必须弄清楚如何将它们组合在一起，”Klemperer 补充道。

矿物影响

自从西班牙人征服南美洲寻找黄金以来，文明就已经知道安第斯山脉等地有丰富的矿藏，这些地方是火环的一部分。藏南最近也被公认为矿产丰富的省份，拥有金、铜、铅、锌等矿床，仅用碰撞的旧模型很难解释。

“最大的铜矿床出现在热地幔楔熔化产生的花岗岩中——如果看起来像旧模型，那不应该发生在碰撞中，但我们知道它确实发生了，因为我们在拥有所有这些矿物， ”克伦佩勒说。“我们的工作告诉我们碰撞的大规模构造，并表明我们可能期望在碰撞环境中看到与海洋俯冲环境相同的矿床。”

作为地球上唯一活跃的碰撞，喜马拉雅山脉和也提供了其他山脉过去形成和未来可能形成的一瞥。

“澳大利亚刚刚开始与尼西亚区块发生碰撞——碰撞开始发生，”克伦佩勒说。“是要解决的典型例子，我们希望它是其他地方关于地球上发生这种情况的类比。”

作为斯坦福博士生参与该项目的刘天泽是该研究的合著者。其他合著者来自中国科学院、俄亥俄州立大学、新墨西哥大学和斯克里普斯海洋研究所。

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