200 Ma造山帶和克拉通的因素分布（Dang et al., 2020）。深灰色、新研灰色、究探解淺灰色、大陸定深綠色、早期中決淺綠色和藍色區域分別代表太古宙克拉通、裂解陸裂2.2–1.6 Ga造山帶、過程關鍵1.6–0.7 Ga造山帶、因素<0.7 Ga造山帶、新研目前被淹沒的大陸區域和海洋巖石圈。數據來自IGCP 440項目（Li et al., 2008）
（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學院地質與地球物理研究所：超大陸裂解作為超大陸循環的重要組成部分，一直是全球構造演化的重要問題。近二十年來對于超大陸裂解的研究，主要集中在裂解的驅動力問題，即地幔柱的推力作用（active force）與俯沖帶后撤的拉力作用（passive force）的相對重要性上面，對于決定超大陸裂解位置因素缺乏深入研究，特別是對地球巖石圈中非剛性組成部分——造山帶的重要性缺乏討論。
造山帶作為巖石圈的重要組成部分，相較于克拉通來說，它的物理性質（例如粘度、厚度、屈服應力等）更弱，因此在流變學上更容易發生破裂。事實上，在岡瓦納大陸的破裂過程中，大約45%的破裂邊界都沿著古老造山帶的輪廓演化（Krabbendam et al., 2000），這表明造山帶在一定程度上影響超大陸的破裂位置。同時，200 Ma至今的全球大火成巖省的重建結果顯示，大多數超大陸的破裂位置都伴隨著大火成巖省的分布（例如CAMP、Parana、 NAIP等；Storey, 1995），由此認為地幔柱作用對超大陸的裂解具有重要作用，近年來也有學者提出這種大火山巖省和大陸裂解的空間耦合關系是因為地幔柱傾向就位于巖石圈內的淺薄帶內（Buiter and Torsvik, 2014；萬博等, 2019；Niu et al., 2020）。
近期，北京大學的博士研究生生黨卓和張南副教授聯合澳大利亞科廷大學李正祥教授等人在Nature出版集團的刊物 Communications Earth & Environment發表論文，探討了在Pangea 超大陸早期裂解過程（200-100 Ma）中決定大陸裂解的關鍵因素。他們在全球造山帶重建數據（圖1）的基礎上，將200 Ma全球非剛性的造山帶和剛性的克拉通組成的大陸巖石圈引入3D地幔對流模型，同時考慮全球俯沖帶后撤作用、部分熔融對于巖石圈的弱化作用以及核幔邊界熱化學異常層LLSVP等因素的影響，模擬在中大西洋以及南大西洋裂解階段地幔柱以及造山帶的作用。模型結果顯示，在中大西洋的裂解過程中，第一期熱柱的噴發（～195 Ma）觸發了中大西洋的打開，而之后的中大西洋裂解主要沿著大陸巖石圈中的造山帶（軟弱區域）擴展，這與地球演化史中中大西洋大火成巖省（CAMP）的噴發時間略早于中大西洋的打開時間、噴發中心位置位于中大西洋中心，以及中大西洋的破裂沿著Alleganian-Variscan-Herynian 造山帶的古地理重建事實相吻合。同樣的，在緊隨著的南大西洋打開階段，第二期熱柱的噴發（～135 Ma，對應于Parana 大火成巖省）觸發了南大西洋的打開，而南大西洋的裂解階段是由巖石圈內軟弱帶（對應于Aracuai-West Congo等造山帶）誘導演化的。
值得指出的是，南大西洋北部的西非克拉通和亞馬遜克拉通在南大西洋打開前是一個完整的克拉通，同時在西非克拉通和其臨近的撒哈拉克拉通中間存在著相對較弱的造山帶。那么為什么南大西洋的打開位置不在相對更容易打開的造山帶區域，轉而破壞了物理性質更強的克拉通呢？本項研究結果表明，在中大西洋的打開過程中，CAMP熱柱誘發的部分熔融作用弱化了其相鄰區域的西非和亞馬遜組成的完整克拉通，使得其物理性質相較于造山帶更容易發生破裂。在南大西洋打開過程中，破裂從南向北進行演化，經過北部弱化的大陸巖石圈的誘導，最終導致了南大西洋和中大西洋的貫通。南大西洋的破裂過程強調了地幔柱部分熔融對大陸巖石圈的弱化作用相對于超大陸破裂的重要性。
此項研究進一步指出，在三維地幔對流模型中，俯沖帶形狀對于地幔柱噴發位置的重要意義。在俯沖帶曲率高的區域，其下降流更加強烈，相應的產生的地幔回流也更加強烈，更容易產生熱柱。
這項研究表明，地幔柱引發的大火山巖省的噴發觸發了超大陸破裂，決定了破裂的初始位置，而之后的破裂演化是由造山帶引導，破裂位置沿著造山帶輪廓進行演化，因此相對軟弱的更年輕的造山帶一定程度上決定了大陸破裂的最終形狀。這項研究對超大陸破裂的動力學機制提供了新的認識。這項研究還進一步通過重建俯沖帶曲率、造山帶分布、大火成巖省的相關關系有可能重建Rodinia和Columbia超大陸的破裂過程。
致謝：感謝萬博研究員的寶貴修改意見。
主要參考文獻
Buiter S J H, Torsvik T H. A review of Wilson Cycle plate margins: A role for mantle plumes in continental break-up along sutures?[J]. Gondwana Research, 2014, 26(2): 627-653.
Dang Z, Zhang N, Li Z X, et al. Weak orogenic lithosphere guides the pattern of plume-triggered supercontinent break-up[J]. Communications Earth & Environment, 2020, 1(1): 1-11.
Krabbendam M, Barr T D. Proterozoic orogens and the break-up of Gondwana: why did some orogens not rift?[J]. Journal of African Earth Sciences, 2000, 31(1): 35-49.
Li Z X, Bogdanova S V, Collins A S, et al. Assembly, configuration, and break-up history of Rodinia: a synthesis[J]. Precambrian Research, 2008, 160(1-2): 179-210.
Niu Y. On the cause of continental breakup: A simple analysis in terms of driving mechanisms of plate tectonics and mantle plumes[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2020, 194: 104367.
Storey B C. The role of mantle plumes in continental breakup: case histories from Gondwanaland[J]. Nature, 1995, 377(6547): 301-308.
萬博, 吳福元, 陳凌等. 重力驅動的特提斯單向裂解-聚合動力學[J].中國科學:地球科學, 2019, 49: 2004-2017. |
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