西藏高原的誕生
【科學月刊】1998年2月338期
撰文/陳育霖
【摘要】
陸上最大山脈──喜馬拉雅山，是印度板塊及歐亞板塊碰撞的所在地，整個碰撞過程導致東亞地區在地質與氣候環境上一連 串戲劇性的變化。中南半島受印度推擠向外脫逸引起哀牢山-紅河斷裂帶數百公里的左移錯動；西藏高原在碰撞發生後迅速隆升，接著影響全球的氣候變遷……
1975年，法國的地球物理學家莫納（P. Molnar）與塔波尼爾（P. Tapponnier）研究發現，中亞和東亞陸塊上所發生的地震強度大、震源分布廣泛，並且存在著一些大規模斷裂帶。他們認為，至少在最近四千萬年以來， 印度持續碰撞亞洲大陸，導致了亞洲陸塊上大規模的形變和破裂。1976年開始，塔波尼爾等人著手進行一項二維的實驗，用來模擬東亞受印度碰撞時在水平方向 上的演變情形。這個實驗，在地質學或地球物理學的教科書中都詳細記載模擬的情況，它說明了當印度擠入亞洲大陸時迫使中南半島向外脫逸，同時沿哀牢山-紅河 斷裂帶發生數百公里的左移錯動，之後在斷裂帶上的張裂區域形成了南中國海。這個模擬實驗自從1982年發表之後，一直受到廣泛的討論並且被應用來解釋東亞 的地質演變過程。
二維平面上的模擬
塔 波尼爾等人以一個5公分寬的木塊（代表印度）擠入一塊塑性黏土（代表亞洲），固定黏土的左端，觀察黏土的右端被擠出的情形（圖一）。在實驗中只關心亞洲陸 塊在水平方向上的演變情形，不考慮垂直方向上的厚度變化，並且把印度在地球表面上的運動當做是等速直線運動。實驗之前，事先做出每個物理參數的維度分析 （或量綱分析、因次分析）決定尺度因子（scalefactor：模型和實際情形中，每個物理參數的比例），忽略重力和慣性力（如：科氏力）的效應。所 以，實驗中木塊推擠黏土的速率、黏土的流變係數都能經過尺度因子的轉換而得到比較準確、客觀的模擬結果。除此之外，實驗中做了一個重要的假設，塔波尼爾等 人認為亞洲陸塊上的重要斷裂帶是沿著原先存在的縫合帶破裂形成，所以黏土模型是由許多5公釐寬的黏土聚合而成（並且以黃色、紫色的黏土交替出現，便於觀 察、測量），使聚合面形成一個水平方向的弱帶，模擬陸塊上原本存在的縫合帶。
圖一： 塔波尼爾等人的實驗。他們以一個5公分寬的木塊（代表印度）擠入一塊塑性黏土（代表亞洲），固定黏土的左端，觀察黏土的右端被擠出的情形（圖左）。在實驗 中只關心亞洲陸塊在水平方向上的演變情形，不考慮垂直方向上的厚度變化，並且把印度在地球表面上的運動當做是等速直線運動。右圖中陸塊1代表中南半島，2 代表華南地塊。1、2之間的縫隙代表南中國海，F1則是哀牢山-紅河斷裂帶。
根據實驗結果，塔波尼爾等人提出從第三紀早期開始，中亞和東亞的板塊演變模式（圖二），主要包含兩階段：
首先，在印度碰撞亞洲的前半段過程中（塔波尼爾等人指的是距今四千萬到五千萬年前），不斷向北移動的印度迫使中南半島沿著原先華南與中南半島之間的縫合帶向 東南方脫逸而出，造成數百公里的左移錯動，成為今日所見的哀牢山-紅河斷裂帶。同時因為中南半島向東脫逸時還沿順時針方向轉了25°，使原先位於斷裂帶上 的縫隙加大，之間的地殼被拉張變薄，最後噴發源自地函的玄武岩質岩漿，造成新的海洋地殼，形成今天的南中國海〔註一〕。
第二階段是當印度繼續向亞洲陸塊擠入時，包含中國南部與西藏的陸塊整個被迫向東逸出，使阿爾金斷裂帶產生大量的左移錯動。
圖二：東亞地體構造演變圖。塔波尼爾等人的模擬實驗與實際情況做比較，印度碰上亞洲大陸之後擠出中南半島，造成哀牢山-紅河斷裂帶的左移錯動，同時沿著斷裂帶張裂形成南中國海。這個學說成為解釋東亞地質演變的顯學。
哀牢山－紅河斷裂帶
1990 年開始，塔波尼爾、拉卡辛（R. Lacassin）、雷洛普（P.H. Leloup）等人在中國雲南哀牢山-紅河斷裂帶上找尋地質證據，發現斷裂帶因為錯動的產生，曾經發生過強烈的變質作用。高度變質的片麻岩沿著變質帶分 布，中間並且夾雜著混成岩（Migmatite）。另外，還有淡色花岡岩（Leucograinite）順著變質帶的延伸方向分布。其中混成岩的存在表示 附近區域的岩層曾經發生過部分融熔，使岩石成分互相雜染而形成混成岩；至於淡色花岡岩和偉晶花岡岩（Pegmatite）的存在，這幾位學者相信是因為地 塊間的相互磨擦，使地殼融熔時產生的花岡岩質岩漿冷卻而來。因此，定出淡色花岡岩結晶的年代，就可以推得哀牢山-紅河變質帶發生錯動形變的時間。塔波尼爾 等人取了淡色花岡岩中富含鈾的礦物──如獨居石（monazite）、磷釔礦（xenotime）、鋯石（zircon）作定年，結果發現大多數礦物的結 晶時間都集中在兩千四百萬到兩千兩百萬年之間，只有鋯石的結晶年代比較老，大約是三千四百萬到三千萬年之間。塔波尼爾等人根據分析結果指出，哀牢山-紅河 變質帶的錯動與變質作用是發生在三千四百萬到兩千兩百萬年之間，而1995年雷洛普在論文中採用的定年上限則是三千五百萬年〔註二〕。
哀牢山-紅河斷裂帶的錯動位移量一直沒有定論，塔波尼爾等人以岩石力學的方法估計位移量：如果把哀牢山-紅河變質帶上的片麻岩區域當做十公里寬的話（實際上大約八到十公里）哀牢山-紅河斷裂帶曾經有過大約五百公里的錯動才足以造成這樣的形變量。
根 據塔波尼爾等人的定年結果，哀牢山-紅河斷裂帶的左移錯動發生在漸新世到中新世（距今約三千四百萬年到兩千兩百萬年）。南中國海的條帶磁極異常 （Magnetic anomalies）分布，顯示它的海床擴張發生在三千兩百萬到一千七百萬年前，海床寬約七百公里。塔波尼爾等人以實驗的結果解釋當印度擠入亞洲陸塊時迫 使中南半島向東脫逸並且沿著順時針方向轉25°，使哀牢山-紅河斷裂帶沿著原先的縫合帶左移錯動五百公里，而南中國海接著被拉張打開，形成七百公里寬的新 海床，在時間和水平尺度上都配合的相當好。於是，這個實驗模型成為解釋東南亞岩石圈演變過程的顯學，廣為學界所接受，並且成為教科書的內容，在地質學和地 球物理學的書中都有收錄。
三維的模式
然而，塔波尼爾的陸塊脫逸模式只考慮二維空間上的情形，忽略掉地殼和岩石圈在垂直方向上的變化。1995年開始，台灣幾位地球科學家為了研究東南亞的地質構 造，進入雲南、越南和西藏研究獲得許多出乎意料的結果，並且指出印度碰撞亞洲大陸的過程應該考慮陸塊在垂直方向上的變化。一般相信印度和亞洲的碰撞導致西 藏的迅速隆升，造成今日所見的西藏高原以及陸上最高的山脈──喜馬拉雅山。台大地質系鍾孫霖等人提出三維的印度-亞洲碰撞模式，認為整個碰撞過程牽涉了大 規模的造山運動、海水中鍶同位素含量的改變，並且影響了新生代的全球氣候變遷。
西藏高原是陸地上最高、面積最廣且最年輕的隆升區域。 它所涵蓋的面積超過數百萬平方公里，平均海拔五千公尺以上。鍾孫霖等人認為當印度板塊向亞洲板塊擠入數百公里時，使亞洲板塊在南北方向上聚合縮短，西藏地 塊的岩石圈也因此而增厚到正常值的兩倍。一般認為，岩石圈增厚到一個地步，因為岩石圈下部比地函冷而且密度大，最後會受到地函的熱力影響而「層脫」 （Delamination）熔入地函中。整個西藏地塊因為下部岩石圈的移除、脫底產生重力崩解（Gravity collapse），地殼和岩石圈迅速向上回彈，於是西藏高原的地殼就像「法式麵包」被烘烤之後表面隆起而處於張裂的情況，在拉張的環境中便產生了許多正 斷層（圖三）。
圖三： 西藏所處的岩石圈發生層脫（Delamination）示意圖。印度和亞洲碰撞之後，碰撞帶上的岩石圈因為擠壓而異常增厚（中新世晚期以前，左圖），增厚 到一定地步之後，因為岩石圈下部比地函冷且密度大，最後受地函熱力吞沒岩石圈下部熔入地函中（圖中）。西藏地塊在岩石圈下部移除之後為了維持重力均衡而迅 速向上回彈，使西藏高原的地殼處於張裂狀態（右圖）。
高鉀火成岩
1995 年開始，台大地質系羅清華、鍾孫霖和師大地球科學系李通藝等人進入雲南和越南尋找證據，在藏東發現了一些高鉀鹼性火成岩。地球化學的研究證據顯示，藏東的 高鉀鹼性火成岩成分和藏西發現的十分吻合。這些火成岩成分大部分集中在玄武岩質、粗面岩質和流紋岩質的成分範圍內，具有很高的鉀含量。岩漿噴發的體積雖 小，但是噴發的地點分布相當廣泛。我們不難相信，這樣的岩漿成分和產狀是西藏地塊隆升時，地殼處於張列狀態下噴發源自地函的鹼性岩漿所造成。
根據定年的結果，藏東的高鉀岩漿活動大約發生在三千萬到四千萬年前（早第三紀晚期），而藏西的岩漿大約在兩千萬年前產出。
西藏的異時隆升
地 質證據顯示藏西的拉張崩解、張裂環境使岩層基底迅速出露和地函源高鉀岩漿的噴發同時發生在兩千萬到一千四百萬年前。根據藏東所發現的高鉀火成岩，鍾孫霖等 人推測四千萬到三千萬年前藏東可能和兩千萬年前的藏西一樣處在張裂環境中，所以藏東和藏西分別產出成分相同的鹼性火成岩。
從藏東和藏西兩處的高鉀岩漿活動，可以了解整個西藏的 拉張崩解和迅速隆升的演變過程。鍾孫霖等人認為，西藏隆升的過程並不是整個碰撞帶同時接觸碰上。藏西的高鉀岩漿噴發、地殼的張裂崩解和隆升都發生在兩千萬 年前左右，藏東的高鉀岩漿和類似於藏西的拉張、崩解則發生在四千萬年前，這表示藏東區域的隆升時間早於藏西，其中藏東的資料較缺乏仍需要更多的定年數據加 以確定。不過最近幾年，在鄰接於西藏的崑崙區附近也發現類似西藏的異時隆升過程。1996年，阿諾（N.O. Arnaud）等人研究東崑崙區域的隆升時間，依據花岡岩和片麻岩的定年結果指出，東崑崙的隆升發生在三千五百萬到兩千五百萬年之間，很明顯地早於西崑崙 和鄰近的藏西區域。
二階段的碰撞隆升模式
一 般認為，印度和亞洲的碰撞開始於五千萬到四千五百萬年前。1995年，貝克（R. A. Beck）等人從巴基斯坦找到有力的證據，證明早在五千六百萬年前印度的西北就已經和亞洲發生了碰撞，表示整個印度、亞洲碰撞帶並非同時接觸發生碰撞。李 通藝和勞佛（L. A. Lawver）利用印度陸塊北移的情形算出碰撞帶上板塊聚合速率的變化，發現由於印度的東北端突出，東印度很可能早在六千萬年前就已經碰上亞洲陸塊。因此 他們相信藏東底下的岩石圈在碰撞發生後的兩千萬年增厚到最大限度，於是在距今四千萬年前藏東的岩石圈下部發生層脫，造成藏東及鄰近區域迅速隆升，同時地殼 張裂崩解使地溫梯度劇增，產出源自地函的高鉀岩漿。證據顯示藏東的碰撞隆升所影響的範圍遍及雲南西部，在點蒼山東部和大理西北部仍然可以找到始新世 （Eocene）晚期到漸新世（Oligocene）的拉張盆地（Rifted basin）和三千萬年前的高鉀火成岩。此外，相較於西藏，滇西的地殼厚度（大約40～45公里）較薄，平均海拔（大約兩千公尺）也較低。這可能也是因為 碰撞後地殼拉張崩解的影響向東逐漸減小，使地殼厚度和平均海拔從藏東邊緣附近向東遞減。
根據藏東和藏西前後產出的高鉀火成岩，鍾孫霖等人認 為印度和亞洲碰撞的過程主要可以分成兩階段：首先，四千萬年前藏東先受印度碰撞而岩石圈增厚造成重力崩解、地殼拉張產生源自地函的高鉀岩漿，接著在兩千萬 年前藏西也發生同樣的故事，產出成分類似於藏東的高鉀岩漿。
其他關於西藏隆升的證據
在 造山帶附近，因為地塊的抬升會造成侵蝕基準面下降，使隆升地塊上的侵蝕作用更加旺盛；所以從隆升區域下游沉積物堆積量和堆積速率可以得出一些關於造山運動 中地塊隆升的訊息。印度-亞洲碰撞帶上的隆升區域沖刷下來的沉積物大量堆積在孟加拉深海水下扇（BengalFan）厚達22公里。為了探究西藏高原和喜 馬拉雅山形成之謎，二十多年前就有地質學家開始研究孟加拉灣的沉積歷史。
1991年，林賽（J. F. Lindsay）等人間接研究恆河三角洲的地層紀錄，由於來自西藏高原和喜馬拉雅山的沉積物在進入孟加拉深海水下扇之前都會先經過恆河三角洲，沉積物不是 在此堆積就是流入孟加拉水下扇。所以，它的沉積地層自然也紀錄了西藏隆升的歷史。根據地層的震測資料分析，恆河三角洲在四千萬年前左右沉積物堆積速率迅速 增加使三角洲上的沉積物大量堆積；表示四千萬年前藏東的迅速隆升，使得侵蝕基準面下降，侵蝕作用旺盛地展開，引起大量沉積物沖刷而下，造成恆河三角洲和孟 加拉深海水下扇沉積物的大量堆積。
海水的化學成分
1985 年，德普羅（D. J. Depaolo）和英格朗姆（B. L. Ingram）證明了海水中鍶（Sr）同位素的含量可以從海洋生物的碳酸鹽外殼準確地得出，而從深海鑽探計畫（DSDP）和海洋鑽探計畫（ODP）的岩心 資料可以得到近一億年來海水中鍶同位素含量的變化情形。從變化曲線中可以看出海水中鍶同位素的含量比（Sr isotope ratio：87Sr/86Sr）在四千萬年前左右還大致維持穩定，四千萬年前開始迅速增加。所以不斷有人懷疑西藏和喜馬拉雅山的隆升造成沉積物大量進入海中以致於海水中鍶同位素的增加。此外，恆河河系因為喜馬拉雅山南麓岩層的侵蝕和風化使大量含鍶同位素的沉積物排入河中，造成河水中鍶的濃度和87Sr/86Sr值異常的高，計算結果指出，目前海水中鍶同位素的含量至少有四分之一是從西藏的隆升區域排出的。
恆 河三角洲、孟加拉深海水下扇沉積物迅速增加與海水鍶同位素含量異常升高同時發生在四千萬年前左右（圖四a），可以證明藏東隆升時伴隨著大量的侵蝕和化學風 化作用。另外，在鍶同位素的變化曲線中，在兩千萬到一千五百萬年之間，海水鍶同位素還有一次的迅速增加正好對應了藏西的隆升年代，如此一來更可以證明西藏 高原和喜馬拉雅山二階段的隆升模式，並且更完整的了解印度和亞洲碰撞的過程。
圖四（a）：近一億年來海水中鍶同位素比（87Sr/86Sr）變化曲線。鍶同位素比的含量指示了源自喜馬拉亞造山帶上的沉積物量。圖中可以看出距今四千萬和距今兩千萬年前各有一次明顯的轉折、表示沉積物含量變化十分明顯，證明西藏的隆升過程分為兩階段進行。（b）：新生代（Cenozoic）以來氧同位素比（18O/16O）的變化情形。δ18O值增加表示全球降溫。其中在三千五百萬年和一千五百萬年前分別有兩次明顯降溫趨勢。δ18O=〔(18O/16O)岩心標本/（18O/16O）標準樣本─1〕，岩心中18O和16O的比例可以用來指示大氣氣候狀況。
圖右之方格內為岩心編號，（a）、（b）兩圖中P-P、M等為地質年代：
P-P/Pleistocene 更新世-上新世; M/Miocene 中新世; O/Oligocene 漸新世; E/Eocene 始新世; P/Paleocene 古新世; C/Cretaceous 白堊紀
氣候變遷
由於西藏高原海拔高、面積廣，一般相信西藏的隆升影響東亞的季風環流，甚至於全球的氣候變遷。深海中的氧同位素資料顯示始新世以來，全球的降溫過程主要有兩 次，分別在三千五百萬年和一千五百萬年前（圖四b）。1992年，雷莫（M. E. Raymo）和羅德曼（W. F. Ruddiman）認為在印度洋附近，由於西藏隆升時侵蝕基準面下降、加上張裂的環境使岩層基底大量出露，造成侵蝕和風化旺盛進行。劇烈的化學風化作用消 耗掉二氧化碳使大氣中二氧化碳濃度降低，於是造成新生代的全球降溫〔註三〕。值得注意的是，三千五百萬年和一千五百萬年前兩次明顯的全球降溫都正好比西藏 的兩次隆升時間（四千萬年、兩千萬年）晚了五百萬年。有可能是因為印度和亞洲碰撞之後，由於海水混合鍶同位素的時間較短，而化學風化消耗大氣中二氧化碳影 響大氣降溫的過程所需的時間較長，所以兩次的全球降溫都各自比藏東和藏西的隆升時間推遲了五百萬年。
東亞地體演化
1997 年，鍾孫霖等人研究哀牢山-紅河斷裂帶，發現在斷裂帶兩側──雲南西北和越南西北部（圖五）同時都有二疊紀到三疊紀玄武岩和早第三紀晚期的高鉀火成岩（三 千萬年前），高鉀含量的火成岩反映出附近區域可能在三千萬年前受藏東隆升的影響而處於張裂的環境。地球化學的證據顯示雲南西北和越南西北部的玄武岩成分十 分相符，而兩處玄武岩附近還各自都有成分相同的早第三紀高鉀火成岩（圖五）。由於雲南西北和越南西北兩種不同的火成岩各自在成分和生成年代上都十分相符， 我們不難相信哀牢山-紅河斷裂帶的左移活動造成了兩種岩漿活動區域的錯動分離，所以哀牢山-紅河斷裂帶的左移活動不會早於三千萬年前早第三紀高鉀岩漿活動 的年代。
首先，鍾孫霖等人根據兩處火成岩漿活動區域的錯動平移 情形判斷哀牢山-紅河斷裂帶的左移錯動大約是六百公里。同時，利用U-Pb和Ar-Ar放射性定年的結果，哀牢山-紅河斷裂帶上的淡色花岡岩生成於兩千七 百萬到兩千兩百萬年之間，哀牢山-紅河斷裂帶的左移錯動在這時候發生。由此可知，南中國海的擴張時間（三千兩百萬到一千七百萬年）早於哀牢山-紅河斷裂帶 的左移活動。依照塔波尼爾等人的看法，中南半島受印度推擠向東脫逸伴隨了哀牢山-紅河斷裂帶上的左移活動，造成南中國海海床擴張。在時間順序上與定年結果 並不相符。另外，鍾孫霖等人也發現哀牢山-紅河斷裂帶和原先中南半島與華南之間的縫合帶並不重合，表示哀牢山-紅河斷裂帶並不是沿著原先的縫合帶發生錯動 （圖五），極可能是在板塊內生成的一條活動帶。
圖五：哀牢山-紅河斷裂帶地質圖。哀牢山-紅河斷裂帶的錯動年代是南中國海成因的關鍵。由圖上分離錯開的火成岩區可以知道這個斷裂帶至少錯動數百公里，目前相信，是印度碰上亞洲板塊之後迫使中南半島向外推出所造成的。
結論
印 度和亞洲大陸的碰撞過程比塔波尼爾等人的二維模式複雜許多。根據最近我國學者所提的模式，東北印度大約在六千萬年前開始碰上亞洲，碰撞帶的地殼和岩石圈開 始增厚。到了四千萬年前左右，岩石圈下部終於被地函的熱力吞沒。藏東為了維持重力均衡而向上隆升，在拉張的環境中產出高鉀的鹼性岩漿。接著，由於地勢隆 升，藏東的侵蝕和化學風化旺盛地展開。沉積物大量流入孟加拉灣造成巨厚的深海水下扇，鍶同位素經過河流排入海洋，促使海水中鍶同位素的比值快速增加。化學 風化消耗了大氣中的二氧化碳，導致五百萬年後的全球降溫。印度持續向亞洲大陸遷移，兩千萬年以後（也就是距今兩千萬年前），舞台搬到了藏西，同樣的戲碼又 重演了一遍。這些過程相當複雜，同時具有戲劇張力。
此外，南中國海的生成過程和哀牢山-紅河斷裂帶的關係 並不像塔波尼爾等人所詮釋的；可能是在三千萬年前藏東拉張崩解時，南中國海也正好處於張裂狀態，使得兩個張裂區域中間形成一條板塊內的弱帶（破裂帶），成 為今日所見的哀牢山-紅河斷裂帶。當印度繼續向北移時，在兩千七百萬到兩千一百萬年前迫使中南半島向東脫逸，同時阻止南中國海繼續擴張。
相關課題和展望
整 個西藏的異時隆升過程牽涉了東亞地體構造的演變、海水的化學組成甚至於全球氣候變遷，實在是一個十分有趣的研究課題。然而仍有許多未解決的部分，像是南中 國海的擴張其實早於哀牢山-紅河斷裂帶的左移錯動，南中國海張裂的原因和機制是什麼？哀牢山-紅河斷裂帶並不是一條平滑的斷層帶，中間存在的一道小轉折該 作何解釋？西藏高原的隆升如果在四千萬年前就已經開始，則隆升過程對於印度洋季風帶及印度洋的洋流究竟有什麼樣影響？甚至對於全球大氣環流和氣候型態造成 的影響有多少？諸多的問題都需要將來更多的研究來一一作解答。
本文感謝李通藝老師的熱心指導
註一：火成岩的成分和地殼被拉張減薄的程度有十分密切的關係，鹼性火成岩通常在張力區中產出源自地函的火成岩漿。
註 二：鍾孫霖等人指出雷洛普所採用的定年上限資料是35.0±0.1Ma（Schärer等，1994），而夏赫爾（Schärer）的論文圖一所指的取樣 （Monzonite）地點並不在哀牢山-紅河斷裂帶上，成分也不屬於淡色花岡岩而是早第三紀晚期的鹼性火成岩。另外，在塔波尼爾的論文中大部分的礦物結 晶年代也都集中在兩千兩百萬到兩千四百萬年之間。只有鋯石的定年結果超過三千萬年，不過塔波尼爾等人仍然採用三千萬年當作上限年代。
註三：地表岩層的化學風化消耗掉大氣中的二氧化碳的過程可以簡化成以下的化學反應。
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