地大研究团队提出地球大陆岩石圈增生演化的拆沉—浮合新模型

图 1. 不同增生方式产生的岩石圈地幔成分和年龄结构。A：快速的研究岩石地幔柱或者俯冲作用所致。B：冷却或者岩浆作用相关的团队提出底垫作用所致。C：俯冲叠置所致。圈增D：侧向增生所致。生演E：本研究所述的拆沉拆沉-浮合模型所致。A-D产生的浮合岩石圈具有特定的年龄结构（上老下新或者整体年龄相近）。E模型会产生古老岩石圈地幔底垫于年轻岩石圈地幔之下或镶嵌于年轻岩石圈地幔内部的新模型复杂岩石圈结构。

图 2. 岩石圈地幔拆沉-浮合的一般过程。绿色-黄色-红色的研究岩石色表示岩石圈地幔物质的浓度由低到高。A-C岩石圈拆沉和加热：高程度熔体提取后的团队提出岩石圈地幔，密度低于周围地幔，圈增具有向上的生演浮力，但是拆沉在后期冷却降温作用下产生负浮力，使其沉没。浮合下沉的岩石圈地幔在地幔深部逐渐被周围高温的地幔岩石加热。D拆沉岩石圈上浮：被加热后，拆沉的岩石圈地幔物质的负浮力被化学成分导致的正浮力超越，因此产生停滞或上浮。E-F浮合及混合：上浮的古老亏损岩石圈地幔浮合于上方的岩石圈之下形成复杂的岩石圈结构，未上浮的岩石圈地幔碎片与深部地幔混合形成不同尺度的异质体。

图 3. 拆沉-浮合旋回形成的古老岩石圈底垫于新岩石圈之下或镶嵌于新岩石圈内部的模型实例。拆沉-浮合旋回可以产生不同类型的岩石圈成分和年龄结构（详情参见原文），可以合理解释深源岩浆岩和捕虏体所反映的不同地区的岩石圈成分和年龄结构。
（神秘的地球uux.cn）据地大新闻网（记者 程晓龙）：一直以来，大陆地壳的起源及其与大陆岩石圈深部地幔部分（即克拉通地幔或岩石圈根）的关系复杂且极具争议。太古宙克拉通往往具有巨厚的岩石圈根和复杂的年龄结构，有些地区的古老地幔物质底垫于年轻地幔物质之下，有些地区的年轻地幔物质存在于古老地幔物质之下，还有一些地区的整个岩石圈地幔具有相近年龄。然而，迄今为止，没有一个单一的模型（图1 A-D）能够解释这些观测结果，尤其是无法解释古老岩石圈地幔底垫于年轻岩石圈地幔之下或镶嵌于年轻岩石圈地幔内部的特殊地质现象。
针对这一科学难题，中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室王振胜副研究员、地学院汪在聪教授、Timothy Kusky教授和澳大利亚莫纳什大学Fabio Capitanio副教授合作，通过地球动力学数值模拟和地质观测联合研究，在《美国科学院院刊》（PNAS）上提出了一种新模型：拆沉—浮合模型，该模型解释了大陆岩石圈长期演化形成的复杂年龄结构关系（图1 E）。该模型所代表的地质过程概括如下（图2）：
地球早期地幔温度高，高程度部分熔融导致残余的地幔亏损程度较高，因此具有化学成分控制的高浮力（产生向上的正浮力），逐渐聚集在地球浅部。随着地表低温热边界层的向下生长，熔融残余的温度变低，形成高粘度岩石圈。低温产生的冷缩效应会导致密度显著增加，因此产生向下的负浮力。该作用逐渐抵消化学成分相关的正浮力，从而使冷岩石圈失稳和向深部沉没，被称为拆沉作用（图2 A-C）。拆沉的岩石圈进入地幔后，被地幔高温加热，使得温度产生的负浮力逐渐被化学成分浮力超越，反而抑制下沉，导致被加热的古老熔融残余物质上浮（图2 D），并再度合并到浅部的岩石圈底部（图2 E-F）。拆沉和上浮之间的时间间隔可以长达数千万年到数亿年不等。在这期间，浅部岩石圈在板块构造运动驱动下可发生数千公里移动，深部的古老岩石圈残片也可以在地幔流驱动下发生大规模水平位移。因此上浮的岩石圈残片可以合并到不同年龄的克拉通、造山带或者大洋岩石圈底部形成复杂的岩石圈结构。
该团队将这种与拆沉相逆的大规模地幔岩石圈返回过程定义为大规模区域性浮合（Massive regional relamination）。“浮合”根据Relamination与Delamination（拆沉）的关系翻译而来，其中“浮”与“沉”字相对，“合”与“拆”字相对。这种岩石圈先拆沉，而后被加热和上浮，最终与浅部岩石圈再度拼接合并的动力学过程在地球数十亿年的演化过程中可重复发生，因此被命名为拆沉—浮合旋回。该模型可以合理解释大陆岩石圈地幔在来源、年龄和成分方面的广泛不均一性，尤其可以解释古老岩石圈地幔错位于年轻岩石圈地幔之下或镶嵌于年轻岩石圈地幔内部的特殊地质现象（图3），因此对于理解大陆岩石圈的形成和演化具有重要意义。
该研究同时指出，这种大规模岩石圈浮合与增生过程不拘泥于岩石圈沉没和再循环的形式，可以与早期的拆沉、对流侵蚀、凹沉（sagduction）、滴落（dripping）、俯冲等多种岩石圈沉没方式配合，形成多种类型的沉没—浮合旋回，进而产生复杂不均一性的重构大陆岩石圈。因此，岩石圈的沉没—浮合旋回并不受构造体制的限制，既可以发生于前板块构造体制之下，又可以发生于板块构造体制之下。
本研究得到国家自然科学基金委项目和地质过程国家重点实验室自主课题联合资助。
文章信息：Zhensheng Wang*, Fabio Capitanio, Zaicong Wang, and Timothy Kusky*. Accretion of the cratonic mantle lithosphere via massive regional relamination. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119 (39) e2201226119.https://doi.org/10.1073/pnas.2201226119