Communications Earth & Environment : 超大陆从何处裂解?

超大陆裂解作为超大陆循环的重要组成部分,一直是全球构造演化的重要问题。近二十年来对于超大陆裂解的研究,主要集中在裂解的驱动力问题,即地幔柱的推力作用(active force)与俯冲带后撤的拉力作用(passive force)的相对重要性上面,对于决定超大陆裂解位置因素缺乏深入研究,特别是对地球岩石圈中非刚性组成部分——造山带的重要性缺乏讨论。

造山带作为岩石圈的重要组成部分,相较于克拉通来说,它的物理性质(例如粘度、厚度、屈服应力等)更弱,因此在流变学上更容易发生破裂。事实上,在冈瓦纳大陆的破裂过程中,大约45%的破裂边界都沿着古老造山带的轮廓演化(Krabbendam et al., 2000),这表明造山带在一定程度上影响超大陆的破裂位置(图1)。同时,200Ma至今的全球大火成岩省的重建结果显示,大多数超大陆的破裂位置都伴随着大火成岩省的分布(例如CAMP、Parana、NAIP等;Storey, 1995),由此认为地幔柱作用对超大陆的裂解具有重要作用,近年来也有学者提出这种大火山岩省和大陆裂解的空间耦合关系是因为地幔柱倾向就位于岩石圈内的浅薄带内(Buiter and Torsvik, 2014;万博等, 2019;Niu et al., 2020)。

图1 200Ma造山带和克拉通的分布(Dang et al., 2020)。深灰色、灰色、浅灰色、深绿色、浅绿色和蓝色区域分别代表太古宙克拉通、2.2–1.6Ga造山带、1.6–0.7Ga造山带、<0.7Ga造山带、目前被淹没的大陆区域和海洋岩石圈。数据来自IGCP 440项目(Li et al., 2008)

近期,北京大学的博士研究生党卓和张南副教授联合澳大利亚科廷大学李正祥教授等人在Nature出版集团的刊物Communications Earth & Environment发表论文,探讨了在Pangea超大陆早期裂解过程(200-100Ma)中决定大陆裂解的关键因素。他们在全球造山带重建数据(图1)的基础上,将200Ma全球非刚性的造山带和刚性的克拉通组成的大陆岩石圈引入3D地幔对流模型,同时考虑全球俯冲带后撤作用、部分熔融对于岩石圈的弱化作用以及核幔边界热化学异常层LLSVP等因素的影响,模拟在中大西洋以及南大西洋裂解阶段地幔柱以及造山带的作用。模型结果显示,在中大西洋的裂解过程中,第一期热柱的喷发(~195Ma)触发了中大西洋的打开(图2a、图2b),而之后的中大西洋裂解主要沿着大陆岩石圈中的造山带(软弱区域)扩展(图2c、图2d),这与地球演化史中中大西洋大火成岩省(CAMP)的喷发时间略早于中大西洋的打开时间、喷发中心位置位于中大西洋中心,以及中大西洋的破裂沿着Alleganian-Variscan-Herynian造山带的古地理重建事实相吻合。同样的,在紧随着的南大西洋打开阶段,第二期热柱的喷发(~135Ma,对应于Parana大火成岩省)触发了南大西洋的打开(图2e、图2f),而南大西洋的裂解阶段是由岩石圈内软弱带(对应于Aracuai-West Congo等造山带)诱导演化的(图2g、图2h)。

图2 3D地幔对流模型模拟结果(Dang et al.,2020)。(a) 195Ma的热化学结构,正温度异常(地幔柱)显示为红色,而负温度异常(俯冲带)显示为蓝色。核心地幔边界上方的致密化学结构(LLSVPs)显示为紫色,而核心地幔边界以灰色球形表面绘制。白色网格表示克拉通的轮廓,绿色箭头表示其运动方向;(b)195Ma地球表面处无量纲化的应变率第二不变量;(c、e、g)与(a)相同,时间分别为155 Ma、135Ma和105Ma;(d、f、h)与(b)相同,时间为155Ma、135Ma和105Ma

值得指出的是,南大西洋北部的西非克拉通和亚马逊克拉通在南大西洋打开前是一个完整的克拉通,同时在西非克拉通和其临近的撒哈拉克拉通中间存在着相对较弱的造山带。那么为什么南大西洋的打开位置不在相对更容易打开的造山带区域,转而破坏了物理性质更强的克拉通呢?本项研究结果表明,在中大西洋的打开过程中,CAMP热柱诱发的部分熔融作用弱化了其相邻区域的西非和亚马逊组成的完整克拉通(图3a、图3b),使得其物理性质相较于造山带更容易发生破裂。在南大西洋打开过程中,破裂从南向北进行演化,经过北部弱化的大陆岩石圈的诱导,最终导致了南大西洋和中大西洋的贯通。南大西洋的破裂过程强调了地幔柱部分熔融对大陆岩石圈的弱化作用相对于超大陆破裂的重要性。

图3 模型中在170Ma时的熔体(a)和粘度(b)分布图(Dang et al.,2020)。(a)熔体分布可用比例尺显示,白色区域代表>0.7Ga的大陆岩石圈,灰色和蓝色区域分别代表<0.7Ga(年轻造山带)的大陆岩石圈和大洋岩石圈;(b)红色、白色和黑色曲线代表克拉通边界轮廓、大洋和大陆岩石圈分界线以及俯冲带位置

此项研究进一步指出,在三维地幔对流模型中,俯冲带形状对于地幔柱喷发位置的重要意义。在俯冲带曲率高的区域,其下降流更加强烈,相应的产生的地幔回流也更加强烈,更容易产生热柱(图4a、图4b)。

图4 在(a)195Ma和(b)135Ma时模型中第一、二期地幔柱位置和CAMP、Parana大火成岩省古地理重建位置的比较(Dang et al.,2020)。红色、白色和黑色曲线分别表示克拉通的轮廓,海洋和大陆岩石圈之间的边界以及俯冲带位置;红星代表CAMP(a)和Parana(b)大火成岩省的古地理重建喷发中心;棕色阴影表示受CAMP(a),Parana(c)熔体影响的大火成岩省区域

这项研究表明,地幔柱引发的大火山岩省的喷发触发了超大陆破裂,决定了破裂的初始位置,而之后的破裂演化是由造山带引导,破裂位置沿着造山带轮廓进行演化,因此相对软弱的更年轻的造山带一定程度上决定了大陆破裂的最终形状。这项研究对超大陆破裂的动力学机制提供了新的认识。这项研究还进一步通过重建俯冲带曲率、造山带分布、大火成岩省的相关关系有可能重建Rodinia和Columbia超大陆的破裂过程。

【致谢:感谢万博研究员的宝贵修改意见。】

参考文献

Buiter S J H, Torsvik T H. A review ofWilson Cycle plate margins: A role for mantle plumes in continental break-upalong sutures?[J]. Gondwana Research, 2014, 26(2): 627-653.

Dang Z, Zhang N, Li Z X, et al. Weak orogenic lithosphere guides thepattern 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 ofGondwana: 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 interms of driving mechanisms of plate tectonics and mantle plumes[J]. Journal ofAsian Earth Sciences, 2020, 194: 104367.

Storey B C. The role of mantle plumes in continental breakup: casehistories from Gondwanaland[J]. Nature, 1995, 377(6547): 301-308.

万博, 吴福元, 陈凌等. 重力驱动的特提斯单向裂解-聚合动力学[J].中国科学:地球科学, 2019, 49: 2004-2017.

(撰稿:党卓,张南/北京大学)

校对:张腾飞