自新生代以来,欧亚大陆南缘在印度大陆持续向北的推挤下,青藏高原的高原面逐渐向北扩展。目前,东北缘是高原地壳变形、增厚较强烈的区域。科研人员在东北缘的活动构造研究中发现断裂活动时间由高原边缘向周缘的克拉通内部呈现由老到新的规律,由此,学界认为高原已逐渐向克拉通内部扩展。
从大尺度的地形梯度来看,高原东北缘东北方向地形梯度与高原的东南缘较相似,这种由高到低的缓慢地形趋势代表了高原物质通过中、下地壳的通道流向高原周缘的挤出或逃逸,梯度指示高原扩展的方向。然而,近年来多个地壳速度结构成像研究显示高原东北缘东部中下地壳无明显的低速层存在。
位于陇西盆地和鄂尔多斯块体边界处的六盘山被认为是高原与外部克拉通的天然分界,它和北祁连是现今东北缘地壳变形最强烈的区域之一,最显著的变形或抬升的起始时间为晚中新世。此前,一些科研人员提出了不同的模型以解释六盘山的抬升机制,如逆冲推覆模型、构造沉积缩短增厚模型、地壳挤入模型等。
为了研究六盘山抬升的深部过程、约束高原的侧向生长方式,中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室壳幔结构探测学科组研究员田小波和副研究员白志明等人跨六盘山,实施了短周期密集台阵天然地震观测,提取接收函数进行结构成像,结合地震活动性及重力布格异常,探测陇西盆地、六盘山及鄂尔多斯西南部的壳幔深部结构。
研究表明,鄂尔多斯西南缘地壳没有发生明显变形,厚度约为50 km,呈楔状挤入陇西地壳;陇西盆地内部的地壳也没有发生明显变形,厚度仅为50 km;地壳变形仅局限在六盘山附近较窄的范围内,即陇西盆地上地壳向东分别沿六盘山断裂和小官山断裂逆冲到鄂尔多斯地壳之上,而下地壳向东俯冲至鄂尔多斯地壳下方,六盘山下方地壳增厚至60 km,在高压作用下,山根发生了部分磂辉岩化。
“作为”青藏高原东北缘的一部分,陇西盆地为什么没有明显变形?为什么形成相对较窄的六盘山?该研究对比了高原周缘不同区域高原内、外地形、地壳厚度变化与中、下地壳地震波速度的关系。对比显示,高原边界两侧大的地形差和地壳厚度差异,均对应较大的中、下地壳S波速度差异;向六盘山这样两侧海拔和地壳厚度均无明显差异的边界,其中、下地壳S波速度差异较小。
由此,该研究认为,高原周缘能否扩展(侧向生长)取决于高原周缘的中、下地壳的强度(与地震波速度成正比)。弱的地壳容易在高原的挤压下缩短增厚,成为高原的一部分,并在高原与坚硬的克拉通地壳分界处形成陡峭地形和地壳厚度的突变;相较于较硬的地壳(如陇西盆地),在高原的挤压下不易发生地壳增厚,但在挤压作用下,它与外侧的克拉通地壳发生硬-硬挤压,形成较窄的山脉(如六盘山)。
从陇西盆地的地壳厚度、速度结构及地形来看,其还未成为高原的一部分,而真正的高原边界在陇西盆地的西侧和南侧。