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【前沿论坛】李正祥:解码地球节律——板块构造驱动力问题新认识
2018-07-20 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  报告人:李正祥∣整理:周久龙(岩石圈室) 

摘要:板块构造理论回答了人们在地球表层观察到的大量地质现象,但遗憾的是有关于板块运动的驱动机制这一根本问题始终没能很好解决。澳大利亚科廷大学李正祥教授在系统总结了近30年固体地球科学领域取得的一些重要观察资料与数值模拟结果后,认为地球演化历史是由周期约为6亿年的耦合的超大陆-超级地幔柱旋回所主导,并提出了一个地球动力学概念模型来尝试解释这一耦合关系。在该模型中,虽然板块运动与深部的地幔对流是一个互动体系的两个方面,但是冷板片的俯冲下插及与其伴随的超大陆形成决定了地幔结构的主体形态,包括地幔柱与超级地幔柱的形成、位移以及消亡,而地幔柱与超级地幔柱则反作用于超大陆促进了其裂解。近期尚未发表的工作进一步提出超大陆的形成似乎以introversion和extroversion模式交替发生,并由此衍生出深部地幔结构每两个超大陆旋回发生一次全面的重组以及超大洋的寿命近似于超大陆旋回的三倍,造就了地球历史中最长时间尺度的周期性事件。

  一、科学问题

  作为地球科学发展历史中的一次革命,板块构造理论从提出至今已经有半个世纪。它解释了很多我们在地球表层观察到的地质现象,比如板块碰撞会形成山脉,而板块分离则会形成海洋。但是,有一个根本问题始终没能很好解决,即到底是什么动力机制驱动了板块运动?

  以普林斯顿大学W.J. Morgan教授为代表的一些学者早在1971年就基于地表的热点观察推测地球深部存在起源自核幔边界的热柱(地幔柱),并认为是地幔柱造成了大陆裂解,为板块运动提供了动力来源[1]。需要特别指出的是,对于传统的“地幔柱”模式而言,其所代表的深部物质上涌是由地核热能驱动,与地球浅层的板块运动没有什么关系。

  截然相反的是,以加州理工学院D.L.Anderson教授为代表的另一些学者则反对地幔柱的存在,甚至认为上地幔与下地幔之间没有物质交换。在他们提出的“Top-down”模式里,是冷板片的俯冲下插带动了上地幔对流,进而驱动板块运动[2]

  在今天的报告里,我将针对这一科学问题总结下近30年固体地球科学领域取得的一些重要观察资料与数值模拟结果,正是这些发现促使了我和合作者们提出一个新的地球动力学概念模型,为板块构造驱动机制提供了新的认识。我希望能抛砖引玉,引起大家对这一科学问题的关注与思考。

  二、相关的观察资料与模拟结果

  1. 超大陆旋回

  正如大家所知道的,早在一百多年前,A.L. Wegener就发现了现今分散于全球的各个大陆在石炭纪时期曾聚集于一起,构成一个名为Pangea的超大陆。从上世纪90年代开始,学术界逐渐意识到地球历史上可能还有其他更古老的超大陆存在过。目前普遍接受的前寒武纪超大陆包括9-7亿年前的新元古代Rodinia超大陆和16-13亿年前的中元古代Nuna超大陆,尽管对于这两者的具体形态和存在时限还有很多争议。当然对于Gondwana古陆而言,在一些文献中也有学者将其称为超大陆,但我们考虑到它仅仅只由全球约半数的陆块组成,所以将其称为半超大陆(semi-supercontinent)[3],而不是真正意义上的超大陆。

  总之,我们对于是否存在过比Nuna更古老的超大陆还不清楚,但至少可以肯定的是自20亿年以来应该是依次出现了Nuna、Rodinia和Pangea这三个超大陆(图1)。那么不难发现这三者在时间上具有约6亿年左右的周期性,也就是我们这里说的超大陆旋回,这是近30年在认识上的重大突破。 

图1 20亿年前至今依次出现的Nuna[4]、Rodinia[5]和Pangea超大陆

  2. 全地幔尺度的动力对流

  在我上学的那个年代,教材里描述地球内部具有圈层结构,从内到外依次是内核、外核、下地幔、上地幔和地壳。但随着地震层析成像技术的精度越来越高,我们现在意识到地幔在成分、物理特征和化学特征等方面呈现出非常强烈的不均一性,而冷的洋壳板片甚至可以从地表一直俯冲堆积至核幔边界,使得下地幔热的物质上涌,造成全地幔尺度的动力对流。这是近30年在认识上的另一个重大突破。

  3. 超级地幔柱及其时空特征

  地震层析成像技术除了发现全地幔尺度的动力对流外,还发现了地幔内部的第一级别结构特征是存在两个LLSVP(large low seismic velocity province)[6,7],一个是在太平洋下面,另一个是在非洲下面,两者被高地震波速带分隔。下地幔这两个几百公里高的巨大异常带,不仅是化学异常,而且是热异常,几乎地表所有的热点岩浆活动都位于其之上。我们也习惯性地将这两个巨大异常带称为超级地幔柱,即一个Pacific超级地幔柱,另一个African超级地幔柱。很有意思的是这两个超级地幔柱都位于赤道附近,并呈对跖的180度。那么问题来了,超级地幔柱是如何形成的?它们的空间位置是否是固定的?为什么是对跖的?持续时间已经多久了?

  很早就有一些学者发现African超级地幔柱正是位于Pangea超大陆下面,并形成了陆地表面众多的大火成岩省,而对跖的Pacific超级地幔柱则形成了海洋里众多的大洋玄武岩高原和洋岛等。这一发现暗示超级地幔柱与超大陆之间存在空间位置联系。为了更好地检验这一推测,我们也进一步审视了地球历史上另外两个超大陆的情况。首先,对于Rodinia超大陆,我和所里的李献华老师等合作者在这方面工作了近20年,从岩浆、沉积和构造等多角度入手得出的结论是Rodinia超大陆下面存在超级地幔柱,并且正是该超级地幔柱造成了Rodinia的最终解体。其次,对于Nuna超大陆,近几年不断识别出的中元古代大火成岩省同样支持了其下方存在超级地幔柱。目前已经有足够的古地磁数据表明至少Rodinia超大陆曾经位于中-高古纬度,相对应的超级地幔柱也是产生于中-高古纬度,这两者之后会伴随真极移(true polar wander;理论预测地球地幔或其表面的质量重新分布会导致整个地球相对于其旋转轴运动,以使得地球的最大惯性矩轴与其旋转轴对齐,从而实现地球旋转能量的最小化)而运动到赤道附近[8]。因此,我们认为超级地幔柱并非一直固定在赤道上,而是与超大陆的位置紧密相关。

  另一方面,通过搜集统计全球大火成岩省的年代学数据[9],我们可以很直观地发现大火成岩省的活跃期总体上对应于超大陆解体,而寂静期总体上对应于超大陆聚合(图2)。这样的时间关系说明超级地幔柱并非永恒存在的,其形成与消亡和超大陆演化是同步的。 

图2  全球大火成岩省[9]与超大陆旋回的时间耦合关系[10]

  4. 地球动力学数值模拟

  近二三十年,地球动力学领域在研究方法上的一个最重要进展就是计算机模拟功能的逐渐强大,速度也越来越快,使得可以越来越逼真地模拟地球过程。通过把一些基本概念和边界条件等“输入”到计算机中,我们就能检验某种假设过程到底是否可行。我今天对于这部分内容并不展开,有兴趣的同学可以看下钟时杰老师和我写的文章[11](图3)。

图3  超大陆演化不同阶段的地幔对流状态的数值模拟结果[10,11]

  三、提出概念模型

  前面谈到的内容是近30年取得的对理解固体地球运行机制有重要指示意义的进展,下面我将整合这些研究成果,来解释超大陆与超级地幔柱之间的关系背后所隐含的地球动力学意义,并为板块构造驱动力问题提供些新认识。

  我认为超级地幔柱与超大陆在时间和空间上是耦合的,两者共同形成,并有时共同消亡。至少是在20亿年以来,地球演化历史由耦合的超大陆-超级地幔柱旋回所主导,周期大约为6亿年。例如,在Rodinia超大陆聚合时几乎没有什么地幔柱活动,在8亿多年前Rodinia超大陆位于中-高纬度,然后随着强烈的地幔柱活动快速运动到低纬度,地幔柱活动在此过程中及其后促使了Rodinia超大陆解体。进入到下一个旋回时也是类似,Pangea超大陆聚合的同时地幔柱活动非常微弱,而Pangea超大陆裂解的时候记录了很强烈的地幔柱活动。

  那么如何解释这种耦合关系呢?正如前面所提到的,现代地球的地震层析成像表明两个对跖的LLSVP是被一个环状的高地震波速带分隔。我们认为这个高地震波速带代表的是俯冲的冷板片。结合数值模拟给出的正演结果,我们提出了一个地球动力学概念模型[5,10]:(1) 内部洋的不断闭合消亡使得各个陆块逐渐聚合形成统一的超大陆,外部洋洋壳的持续俯冲则构成了超大陆外缘一个环状的俯冲带;(2) 当这个环状俯冲带的冷板片下插到下地幔后会把大致均匀的下地幔分成两个域,进而形成两个LLSVP也就是超级地幔柱,一个是在超大陆下面,一个是在背面的外洋下面,两者呈对跖的180度;(3) 如果超大陆聚合形成时是在中-高纬度而不是在赤道位置,那么两个超级地幔柱也将同样是在中-高纬度上,因此地球自转而造成的离心力会把超大陆和两个对跖的超级地幔柱(下地幔的高质量隆起)一起甩到赤道附近,也就是前面提到的真极移。换句话说,超大陆和超级地幔柱虽然不一定形成于赤道,但只有到达赤道方向才是处于能量最稳定的状态;(4) 最后,超大陆下方持续的地幔柱活动促使了超大陆的裂解,并进入到下一个超大陆-超级地幔柱周期。

  下面我们回到一开始提出的科学问题,即耦合的超大陆-超级地幔柱旋回及其地球动力学机制可以为我们理解板块运动驱动力提供什么新认识?我们从上面说所的概念模型可以看得出来,板块运动与地幔柱两者之间的先后关系类似于“鸡与蛋”的争论,超大陆形成会触发超级地幔柱,而超级地幔柱的形成又会使得超大陆解体。但我认为板块运动是占主导作用的,因为超大陆形成的空间位置和时间“主动地”决定了超级地幔柱形成的空间位置与时间,超级地幔柱则是“被动地”反作用于超大陆使其裂解。在明确了这一层面的主从关系后,我认为本质上是冷板片的俯冲下插驱动了板块运动,不过这不同于传统的局限于上地幔尺度的“Top-down”模式[2],我认为冷板片俯冲下插带动的深部物质对流是全地幔尺度的(图4)。

 

图4 超大陆外缘环形俯冲带触发深部超级地幔柱活动的地球动力学概念模型图[5,10]

  四、最新研究进展

  最近,我和一些同事注意到有些地质与地球化学指标近似呈现出周期约为6亿年超大陆旋回两倍的变化规律。例如,全球岩浆岩锆石Hf同位素和海水Sr同位素在Nuna超大陆和Pangea超大陆形成时均显示较强的陆壳物质的影响,而在Rodinia超大陆形成时显示较弱的陆壳物质的影响。另外,全球Pb-Zn矿主要形成于Nuna和Pangea时期,而Rodinia时期却寥寥无几。对于地壳增长量而言也是类似的,在Nuna和Pangea时期是高峰,而在Rodinia时期是低谷。

  那么相对应的,是否可能存在比约6亿年的超大陆旋回周期更长的固体地球动力学旋回过程呢?在给出答案前,我们先回顾下由Murphy和Nance在2003年提出的一个概念[12]。他们认为形成超大陆有introversion和extroversion两种端元模式,其中introversion模式指的是超大陆通过上一个超大陆裂解后又沿着内洋闭合而形成,而extroversion模式指的是上一个超大陆裂解后内洋不断扩大,最终通过外洋闭合而形成新的超大陆。借鉴这个概念,我们不难发现Pangea是由Rodinia通过extroversion模式形成,即当初Rodinia裂解形成的内洋(原太平洋)持续生长最后成为Pangea的外洋,也就是现今的太平洋。相反,Rodinia则很可能是由Nuna主要通过introversion模式形成,即Nuna解体得并不完全,之后通过内洋重新闭合形成Rodinia。也正因为如此,Nuna超大陆和Rodinia超大陆的重建形态非常相似。

  既然Rodinia和Pangea两个超大陆分别主要以introversion和extroversion模式形成,我们这里大胆地猜想地球历史的超大陆形成是以introversion和extroversion为交替,其周期刚好为超大陆旋回的两倍。如果这一假说是正确的,那么我们一方面可以推测Nuna超大陆是以extroversion形成,其内部应当与Pangea超大陆类似发育较多的造山带;另一方面,我们可以预测未来的Amasia超大陆将以introversion形成,即太平洋不会关闭。

  事实上,introversion和extroversion的交替还伴随着深部地幔结构的交替转变。如果超大陆是introversion形成的,那么原先的环形俯冲带并不会消失,地幔将在一定程度上继承之前的Degree-2结构;如果超大陆是extroversion形成的,那么由于原先环形俯冲带的消失,新环形俯冲带的形成,地幔结构将发生重组,即先形成Degree-1结构,然后再变为Degree-2结构。显然地,地幔结构重组过程的周期也是超大陆旋回的两倍。

  最后,我们这里提出一个“超大洋”的概念,指的是能发育成为超大陆外洋的大洋。以太平洋为例,它最初在Rodinia裂解时形成,之后持续生长并随着Pangea聚合而成为其外洋,如果未来的Amasia如我们所预测的那样以introversion模式闭合,那么太平洋仍将继续存在,直至因为下一个超大陆以extroversion模式闭合而消亡。很有意思的是,超大洋的寿命近似为超大陆旋回的三倍,可能这才是最长时间尺度的地球周期性事件。

  谢谢大家!

  【参考文献】

  [1] Morgan WJ. Convection plumes in the lower mantle. Nature, 1971, 230: 42–43.

  [2] Anderson DL. Top-down tectonics? Science, 2001, 293: 2016–2018.

  [3] Evans DAD, Li ZX and Murphy JB. Four-dimensional context of Earth’s supercontinents. In: Li ZX, Evans DAD and Murphy JB (Eds.), Supercontinent Cycles through Earth History, Geological Society London Special Publications, 2016, 424.

  [4] Zhang SH, Li ZX, Evans DAD, Wu HC, Li HY and Dong J. Pre-Rodinia supercontinent Nuna shaping up: a global synthesis with new paleomagnetic results from North China. Earth and Planetary Science Letters, 2012, 353–354: 145–155.

  [5] Li ZX, et al. Assembly, configuration, and break-up history of Rodinia: A synthesis. Precambrian Research, 2008, 160: 179–210.

  [6] Becker TW and Boschi L. A comparison of tomographic and geodynamic mantle models. Geochemistry Geophysics Geosystems, 2002, 3, DOI:10.1029/2001GC000168.

  [7] Burke K and Torsvik TH. Derivation of large igneous provinces of the past 200 million years from long-term heterogeneities in the deep mantle. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 227: 531–538.

  [8] Li ZX, Evans DAD and Zhang S. A 90°Spin on Rodinia: Possible causal links between the Neoproterozoic supercontinent, superplume, true polar wander and low-latitude glaciation. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 220: 409–421.

  [9] Prokoph A, Ernst RE and Buchan KL. Time-series analysis of large igneous provinces: 3500 Ma to present. Journal of Geology, 2004, 112: 1–22.

  [10] Li ZX and Zhong SJ. Supercontinent–superplume coupling, true polar wander and plume mobility: Plate dominance in whole-mantle tectonics. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2009, 176: 143–156.

  [11] Zhong S, Zhang N, Li ZX and Roberts JH. Supercontinent cycles, true polar wander, and very long-wavelength mantle convection. Earth and Planetary Science Letters, 2007, 261: 551–564.

  [12] Murphy JB and Nance RD. Do supercontinents introvert or extrovert?: Sm-Nd isotope evidence. Geology, 2003, 31: 873–876.

  【致谢:感谢李正祥教授对本文的审核】

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