喜马拉雅岩的磁性揭示了该山的复杂构造历史

我和我的同事们在稀薄的山间空气中迅速呼吸,放下了设备。我们位于一个锯齿状露头的底部,该突起从陡峭的砾石坡度向上突出。

壮观的喜马拉雅山荒野中隐隐约约的声音景象被军用车队在下方的Khardung-La公路上咆哮刺穿。这提醒我们,我们距离印度,巴基斯坦和中国之间久远争议的边界只有几英里之遥。

该区域还包含不同类型的边界,即沿着喜马拉雅山脉的长度延伸的狭窄蜿蜒地质结构。它被称为缝合区,只有几公里宽,由不同类型的岩石碎片组成,并由断层带切成薄片。它标志着两个构造板块融合在一起而远古海洋消失的边界。

我们的地质学家团队前往这里收集超过6000万年前爆发为熔岩的岩石。通过解码保存在其中的磁记录,我们希望重建古代大陆的地理环境,并修改喜马拉雅山创造的故事。

滑动板,生长的山脉

构造板块构成了地球的表面,并且不断运动着-以每年仅几厘米的缓慢速度漂移。海洋板块比其下面的地幔还要冷和密集,因此它们在俯冲带处向下沉入。

地质学家使用水冷式电钻取芯。图片来源:Craig Robert Martin,CC BY-ND

海床板的下沉边缘像传送带一样在海床后部拖动海床,将各大洲拉向彼此。当整个海洋板块消失在地幔中时,两侧的各大洲便以足够的力量相互冲撞,从而像喜马拉雅山一样升起了巨大的山地带。

地质学家普遍认为,喜马拉雅山是在5500万年前形成的一次大陆碰撞中形成的。当时,新特提斯洋板块俯冲至欧亚大陆南部边缘,印度和欧亚构造板块相撞。

但是,通过测量印度西北部偏远山区拉达克地区岩石的磁性,我们的团队表明,构成世界上最大山脉的构造碰撞实际上是一个复杂的多阶段过程,涉及至少两个俯冲带。

磁性消息,一直保留

行星金属外核的不断运动会产生电流,而电流又会产生地球磁场。根据您所在的世界,它的定位有所不同。该磁场总是指向向着磁北方还是南方,这就是为什么你的指南针作品,多年平均超过十万它朝地极点。但是它也以一定角度向下倾斜到地面,具体取决于您距赤道的距离。

一些岩芯样品,其侧面标有样品定向线。图片来源:Craig Robert Martin,CC BY-ND

当熔岩喷发并冷却形成岩石时,内部的磁性矿物会锁定在该位置的磁场方向上。因此,通过测量火山岩的磁化强度,像我这样的科学家可以确定它们来自什么纬度。从本质上讲,这种方法使我们能够解开数百万年的板块构造运动,并在整个地质历史中的不同时间创建世界地图。

在多次前往拉达克喜马拉雅山的考察中,我们的团队收集了数百个直径1英寸的岩心样本。这些岩石最初是在66到6100万年前的火山爆发时形成的,大约是碰撞第一阶段开始的时候。我们使用了带有专门设计的金刚石取芯钻头的手持式电钻,将大约10厘米的深度钻入基岩。然后,我们先用原始方向仔细标记这些圆柱状磁芯,然后再使用非磁性工具将其从岩石中凿出。

目的是重建这些岩石最初形成的位置,然后再将它们夹在印度和欧亚大陆之间,然后升入喜马拉雅山的高处。跟踪样本以及它们来自的岩石层的方向,对于计算距今六千万年前的古代磁场相对于地面的指向方式至关重要。

我们将样本带回了MIT古磁性实验室,并在一个不受现代磁场屏蔽的特殊房间内,将其逐步加热到1,256华氏度(680摄氏度)以缓慢消除磁化强度。

不同的矿物种群在不同的温度下获得其磁化强度。以这种方式逐渐加热然后测量样品,使我们能够通过去除可能隐藏起来的最新叠印来提取原始磁方向。

磁迹线绘制地图

使用整个样本集的平均磁方向,我们可以计算出它们的古代纬度,我们称其为古纬度。

喜马拉雅山的原始单阶段碰撞模型预测,这些岩石将在北约20度的北纬附近形成于欧亚大陆,但我们的数据表明,这些岩石在印度或欧亚大陆均未形成。取而代之的是,它们形成于一连串的火山岛上,位于开阔的新特提斯海洋中,北纬约8度,位于当时欧亚大陆以南数千公里的地方。

只有有两个俯冲带将印度迅速拉向欧亚大陆,而不仅仅是一个,才能解释这一发现。

在一个被称为古新世的地质时期内,印度追上了火山岛链并与之碰撞,将我们最终采样的岩石刮到了印度的北部边缘。然后,印度继续向北发展,大约在40至4500万年前冲入欧亚大陆,比通常认为的晚了10至1500万年。

最终的大陆碰撞使火山岛从海平面上升了4000多米,直至现在的位置,在那里它们沿着壮观的喜马拉雅山口形成锯齿状的露头。

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