Kết nối sự phát thải chất bay hơi có nguồn gốc sâu với động lực phát triển cao nguyên ở đông nam Cao nguyên Tây Tạng
Tóm tắt
Sự phát triển từng đợt của các cao nguyên orogenic ở độ cao lớn bị chi phối bởi một loạt các quá trình địa động lực. Tuy nhiên, việc xác định các cơ chế nền tảng thúc đẩy động lực phát triển của cao nguyên qua lịch sử địa chất và giới hạn độ sâu mà từ đó sự phát triển bắt nguồn vẫn là một thách thức. Ở đây, chúng tôi trình bày hệ thống He-CO2-N2 của các chất lỏng địa nhiệt, cho thấy sự tồn tại của một hệ thống đứt gãy ở quy mô lớp vỏ trong khu vực đông nam Cao nguyên Tây Tạng, nơi mà sự phát triển cao nguyên đa giai đoạn đã diễn ra trong quá khứ địa chất và tiếp tục cho đến hiện tại. Các đồng vị He cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự tham gia của động lực quy mô manti trong sự mở rộng theo chiều ngang và sự nâng cao bề mặt tập trung của Cao nguyên Tây Tạng. Mối tương quan xuất sắc giữa các giá trị 3He/4He và tỷ lệ ứng suất dọc theo đường kháng cự của Ấn Độ vào châu Á cho thấy sự phân bố ứng suất không đồng đều giữa biên giới của cao nguyên và nội địa, điều này điều chỉnh sự phát triển về phía đông nam của Cao nguyên Tây Tạng trong bối cảnh hội tụ giữa Ấn Độ và châu Á. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng hóa học bay hơi có nguồn gốc sâu có thể được sử dụng để hạn chế các quá trình động lực sâu liên quan đến sự phát triển của cao nguyên orogenic.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Harrison, T. M., Copeland, P., Kidd, W. S. F. & Yin, A. Raising Tibet. Science 255, 1663–1670 (1992).
Wang, E. et al. Two-phase growth of high topography in eastern Tibet during the Cenozoic. Nat. Geosci. 5, 640–645 (2012).
Allen, M. B., Saville, C., Blanc, E. J.-P., Talebian, M. & Nissen, E. Orogenic plateau growth: Expansion of the Turkish-Iranian Plateau across the Zagros fold-and-thrust belt. Tectonics 32, 171–190 (2013).
Liu-Zeng, J., Tapponnier, P., Gaudemer, Y. & Ding, L. Quantifying landscape differences across the Tibetan plateau: Implications for topographic relief evolution. J. Geophys. Res. Earth Surf. 113, F04018 (2008).
Garzione, C. N. et al. Tectonic Evolution of the Central Andean Plateau and Implications for the Growth of Plateaus. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 45, 529–559 (2017).
Tapponnier, P. et al. Oblique stepwise rise and growth of the Tibet Plateau. Science 294, 1671–1677 (2001).
Royden, L. H. et al. Surface deformation and lower crustal flow in eastern Tibet. Science 276, 788–790 (1997).
Molnar, P., England, P. & Martinod, J. Mantle dynamics, uplift of the Tibetan Plateau, and the Indian Monsoon. Rev. Geophys. 31, 357–396 (1993).
Faccenna, C., Becker, T. W., Conrad, C. P. & Husson, L. Mountain building and mantle dynamics. Tectonics 32, 80–93 (2013).
Chen, M. et al. Lithospheric foundering and underthrusting imaged beneath Tibet. Nat. Commun. 8, 15659 (2017).
Chen, L., Capitanio, F. A., Liu, L. & Gerya, T. V. Crustal rheology controls on the Tibetan plateau formation during India-Asia convergence. Nat. Commun. 8, 15992 (2017).
Tamburello, G., Pondrelli, S., Chiodini, G. & Rouwet, D. Global-scale control of extensional tectonics on CO2 earth degassing. Nat. Commun. 9, 4508 (2018).
Gilfillan, S. M. V. et al. Noble gases confirm plume-related mantle degassing beneath Southern Africa. Nat. Commun. 10, 5028 (2019).
De Leeuw, G. A. M., Hilton, D. R., Güleç, N. & Mutlu, H. Regional and temporal variations in CO2/3He, 3He/4He and δ13C along the North Anatolian Fault Zone, Turkey. Appl. Geochem. 25, 524–539 (2010).
Hoke, L., Hilton, D. R., Lamb, S. H., Hammerschmidt, K. & Friedrichsen, H. 3He evidence for a wide zone of active mantle melting beneath the Central Andes. Earth Planet. Sci. Lett. 128, 341–355 (1994).
Hiett, C. D., Newell, D. L. & Jessup, M. J. 3He evidence for fluid transfer and continental hydration above a flat slab. Earth Planet. Sci. Lett. 556, 116722 (2021).
Ballentine, C. J., Marty, B., Lollar, B. S. & Cassidy, M. Neon isotopes constrain convection and volatile origin in the Earth’s mantle. Nature 433, 33–38 (2005).
Gilfillan, S. M. V. et al. The noble gas geochemistry of natural CO2 gas reservoirs from the Colorado Plateau and Rocky Mountain provinces, USA. Geochim. Cosmochim. Acta 72, 1174–1198 (2008).
Gilfillan, S. M. V. & Ballentine, C. J. He, Ne and Ar ‘snapshot’ of the subcontinental lithospheric mantle from CO2 well gases. Chem. Geol. 480, 116–127 (2018).
Hoke, L., Lamb, S., Hilton, D. R. & Poreda, R. J. Southern limit of mantle-derived geothermal helium emissions in Tibet: implications for lithospheric structure. Earth Planet. Sci. Lett. 180, 297–308 (2000).
Klemperer, S. L. et al. Mantle fluids in the Karakoram fault: Helium isotope evidence. Earth Planet. Sci. Lett. 366, 59–70 (2013).
Zhang, L. et al. Flux and genesis of CO2 degassing from volcanic-geothermal fields of Gulu-Yadong rift in the Lhasa terrane, South Tibet: Constraints on characteristics of deep carbon cycle in the India-Asia continent subduction zone. J. Asian Earth Sci. 149, 110–123 (2017).
Zhang, M., Guo, Z., Zhang, L., Sun, Y. & Cheng, Z. Geochemical constraints on origin of hydrothermal volatiles from southern Tibet and the Himalayas: Understanding the degassing systems in the India-Asia continental subduction zone. Chem. Geol. 469, 19–33 (2017).
Sano, Y. & Marty, B. Origin of carbon in fumarolic gas from island arcs. Chem. Geol. 119, 265–274 (1995).
Fischer, T. P. et al. Subduction and recycling of nitrogen along the central American margin. Science 297, 1154–1157 (2002).
Kennedy, B. M. & van Soest, M. C. Flow of mantle fluids through the ductile lower crust: Helium isotope trends. Science 318, 1433–1436 (2007).
Sano, Y. et al. Groundwater helium anomaly reflects strain change during the 2016 Kumamoto earthquake in Southwest Japan. Sci. Rep. 6, 37939 (2016).
Girault, F. et al. Persistent CO2 emissions and hydrothermal unrest following the 2015 earthquake in Nepal. Nat. Commun. 9, 2956 (2018).
Buttitta, D. et al. Continental degassing of helium in an active tectonic setting (northern Italy): the role of seismicity. Sci. Rep. 10, 162 (2020).
Sano, Y. et al. Helium anomalies suggest a fluid pathway from mantle to trench during the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Nat. Commun. 5, 3084 (2014).
Paonita, A., Caracausi, A., Martelli, M. & Rizzo, A. L. Temporal variations of helium isotopes in volcanic gases quantify pre-eruptive refill and pressurization in magma reservoirs: The Mount Etna case. Geology 44, 499–502 (2016).
Royden, L. H., Burchfiel, B. C. & van der Hilst, R. D. The geological evolution of the Tibetan Plateau. Science 321, 1054–1058 (2008).
Holland, G. & Gilfillan, S. in Application of Noble Gases to the Viability of CO2 Storage. (ed. Burnard, P.) 177–223 (The Noble Gases as Geochemical Tracers, 2013).
Ballentine, C. J., Burgess, R. & Marty, B. Tracing fluid origin, transport and interaction in the crust. Rev. Mineral. Geochem. 47, 539–614 (2002).
Crossey, L. J. et al. Continental smokers couple mantle degassing and distinctive microbiology within continents. Earth Planet. Sci. Lett. 435, 22–30 (2016).
Wang, E. et al. Late Cenozoic Xianshuihe-Xiaojiang, Red River, and Dali fault systems of southwestern Sichuan and central Yunnan, China. Geol. Soc. Am. Spec. Pap. 327, 1–108 (1998).
Pineau, F. & Javoy, M. Carbon isotopes and concentrations in mid-oceanic ridge basalts. Earth Planet. Sci. Lett. 62, 239–257 (1983).
Hoefs, J. Stable Isotope Geochemistry (Springer, 2009).
Barry, P. H., Hilton, D. R., Füri, E., Halldórsson, S. A. & Grönvold, K. 2014. Carbon isotope and abundance systematics of Icelandic geothermal gases, fluids and subglacial basalts with implications for mantle plume-related CO2 fluxes. Geochim. Cosmochim. Acta 134, 74–99 (2014).
Barry, P. H. et al. Forearc carbon sink reduces long-term volatile recycling into the mantle. Nature 568, 487–492 (2019).
Karolytė, R. et al. Tracing the migration of mantle CO2 in gas fields and mineral water springs in south-east Australia using noble gas and stable isotopes. Geochim. Cosmochim. Acta 259, 109–128 (2019).
Ballentine, C. J. & Burnard, P. G. Production, release and transport of noble gases in the Continental crust. Rev. Mineral. Geochem. 47, 481–538 (2002).
Zhang, M. et al. Magma-derived CO2 emissions in the Tengchong volcanic field, SE Tibet: implications for deep carbon cycle at intra-continent subduction zone. J. Asian Earth Sci. 127, 76–90 (2016).
Barry, P. H. et al. Volatile sources, sinks and pathways: a helium‑carbon isotope study of Baja California fluids and gases. Chem. Geol. 550, 119722 (2020).
Sano, Y., Takahata, N., Nishio, Y., Fischer, T. P. & Williams, S. N. Volcanic flux of nitrogen from the Earth. Chem. Geol. 171, 263–271 (2001).
Kreemer, C., Blewitt, G. & Klein, E. C. A geodetic plate motion and global strain rate model. Geochem. Geophys. Geosyst. 15, 3849–3889 (2014).
Li, Y., Liu, M., Li, Y. & Chen, L. Active crustal deformation in southeastern Tibetan Plateau: The kinematics and dynamics. Earth Planet. Sci. Lett. 523, 115708 (2019).
Gan, W. et al. Present-day crustal motion within the Tibetan Plateau inferred from GPS measurements. J. Geophys. Res. Solid Earth 112, B08416 (2007).
Zhang, Y.-Z. et al. Cooling history of the Gongga batholith: implications for the Xianshuihe fault and Miocene kinematics of SE Tibet. Earth Planet. Sci. Lett. 465, 1–15 (2017).
Wang, M. & Shen, Z.-K. Present-day crustal deformation of Continental China derived from GPS and its tectonic implications. J. Geophys. Res. Solid Earth 125, e2019JB018774 (2020).
Shen, Z.-K., Lü, J., Wang, M. & Bürgmann, R. Contemporary crustal deformation around the southeast borderland of the Tibetan Plateau. J. Geophys. Res. Solid Earth 110, B11409 (2005).
Cook, K. L., Hovius, N., Wittmann, H., Heimsath, A. M. & Lee, Y.-H. Causes of rapid uplift and exceptional topography of Gongga Shan on the eastern margin of the Tibetan Plateau. Earth Planet. Sci. Lett. 481, 328–337 (2018).
Searle, M. P. et al. Age and anatomy of the Gongga Shan batholith, eastern Tibetan Plateau, and its relationship to the active Xianshui-he fault. Geosphere 12, 948–970 (2016).
Molnar, P. & Rajagopalan, B. Late Miocene upward and outward growth of eastern Tibet and decreasing monsoon rainfall over the northwestern Indian subcontinent since 10 Ma. Geophys. Res. Lett. 39, L09702 (2012).
Wang, Y. et al. Late Cenozoic tectonic evolution of the Ailao Shan‐Red River fault (SE Tibet): implications for kinematic change during plateau growth. Tectonics 35, 1969–1988 (2016).
Chevalier, M.-L. et al. Tectonic-geomorphology of the Litang fault system, SE Tibetan Plateau, and implication for regional seismic hazard. Tectonophysics 682, 278–292 (2016).
Wang, Y. et al. GPS-constrained inversion of present-day slip rates along major faults of the Sichuan-Yunnan region, China. Sci. China Earth Sci. 51, 1267–1283 (2008).
Lee, T.-Y. & Lawver, L. A. Cenozoic plate reconstruction of Southeast Asia. Tectonophysics 251, 85–138 (1995).
Burchfiel, B. C. & Chen, Z. Tectonics of the Southeastern Tibetan Plateau and its adjacent foreland. Geol. Soc. Am. Mem. 210, 1–231 (2013).
Sternai, P., Jolivet, L., Menant, A. & Gerya, T. Driving the upper plate surface deformation by slab rollback and mantle flow. Earth Planet. Sci. Lett. 405, 110–118 (2014).
Buscher, J. T. & Spotila, J. A. Near-field response to transpression along the southern San Andreas fault, based on exhumation of the northern San Gabriel Mountains, southern California. Tectonics 26, TC5004 (2007).
Barry, P. H. et al. Helium, inorganic and organic carbon isotopes of fluids and gases across the Costa Rica convergent margin. Sci. Data 6, 284 (2019).
Halldórsson, S. A., Hilton, D. R., Barry, P. H., Füri, E. & Grönvold, K. Recycling of crustal material by the Iceland mantle plume: new evidence from nitrogen elemental and isotope systematics of subglacial basalts. Geochim. Cosmochim. Acta 176, 206–226 (2016).
Cao, C. et al. Tracing the sources and evolution processes of shale gas by coupling stable (C, H) and noble gas isotopic compositions: cases from Weiyuan and Changning in Sichuan Basin, China. J. Nat. Gas. Sci. Eng. 78, 103304 (2020).
Kagoshima, T. et al. Spatial and temporal variations of gas geochemistry at Mt. Ontake. Jpn. J. Volcanol. Geoth. Res. 325, 179–188 (2016).
Shi, X. et al. Fault slip and GPS velocities across the Shan Plateau define a curved southwestward crustal motion around the eastern Himalayan syntaxis. J. Geophys. Res. Solid Earth 123, 2502–2518 (2018).