超大陆裂解的主要驱动力——地幔柱或深俯冲

第95卷第1期 2 0 2 1年1月地质学报ACTA GEOLOGICA SINICA Vol. 95 No. 1
Jan. 2 0 2 1
超大陆裂解的主要驱动力—地幔柱或深俯冲？
李献华^
1)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，北京，100029;
2)中国科学院大学地球与行星科学学院，北京，1〇〇〇49
内容提要：晚太古代以来全球的主要大陆经历了多次聚合形成超大陆、随后裂解成多个大陆/陆块，构成了地 球历史最大时-空尺度的“超大陆旋回”周期性变化。

超大陆聚合主要是通过全球性板块汇聚和造山运动而形成已成为共识，但导致超大陆裂解的动力机制则是学术界广泛关注和争论的重要科学问题，目前主要存在地幔柱上升(Bottom-叩）和板块深俯冲（T op-dow n)两个主要学派。

本文回顾了这两种学派的主要地质观察证据、地球动力学数值模拟结果和模型预测，结合类地行星早期大规模岩脉分布特征和地球变质作用特征随时间的演化，探讨了 B otto m-u p和T o p-d o w n之间的内在关系，以及今后的进一步研究方向。

关键词：超大陆旋回：地幔柱；深俯冲；罗迪尼亚；潘基亚
晚太古代以来全球的主要大陆经历了多次超大陆聚合和裂解，包括可能的〜2. 5〜2. 1Ga Kenorland 超大陆、〜1.8〜1.4 Ga Nuna/Columbia 超大陆、〜0. 9〜0. 75 Ga Rodinia超大陆以及〜300 〜180Ma Pangea超大陆，这个过程称之为“超大陆 旋回（The Supercontinent Cycle)’’（Nance et al.，1988，Taylor et al.，1995 ；Li Zhengxiang et al., 2009, Hawkesworth et al.，2017)。

“超大陆旋回”的提出和相关研究是近30年来固体地球科学一个最重要的新进展和研究领域。

2016年开始执行的IGCP-648 项目 “Supercontinent Cycles&Global Geodynamics”，正在通过广泛的国际合作深人研究地球历史的超大陆旋回的时间、过程和机制及全球地球动力学，代表了这个研究领域的前沿。

超大陆聚合主要是通过全球性大规模增生和碰撞造山运动而形成，如晚古生代华里西期造山运动形成Pangea超大陆，中元古代晚期-新元古代早期格林威尔期造山运动形成Rodinia超大陆。

一般认 为超大陆聚合主要通过E x tro v e r s io n和 Introversion两种端元方式完成（见Murphy et al., 2013综述），其中Extroversion是指围绕先前超大陆的外洋（exterior ocean)优先俯冲闭合形成新超大 陆的过程，如Rodmm超大陆的外洋一莫桑比克洋沿东非造山带闭合使东、西冈瓦纳聚合，形成了统一 的丙瓦纳古大陆（Greater Gondwanaland ); Introversion则是指先前超大陆裂解时形成的内洋闭合形成新超大陆的过程，如沿阿巴拉契亚-加里 东-华力西造山带Ia p e tu s和R heic洋闭合形成了Pangea超大陆（Murphy e t a l.，2003,2005)。

超大 陆聚合的第三种方式可能是〇rthoversion(Mitchell et al.，2012)，即新的超大陆的形成垂直于原超大陆中心的环形俯冲带上。

关于超大陆裂解的动力学机制学术界目前还存在不同的认识，主要有地幔柱和深俯冲两个主要学派（图 1)，亦称之为“Bottom-up”和“Top-down”模 式（如Cawood et al.，2016)。

本文将综述与这两种不同模式有关的地质记录观察和地球动力学数值模拟研究，并在此基础上，提出进一步的研究方向。

1地幔柱学派
Morgan(1971)最早提出了地幔柱的概念，认为 起源于核幔边界的地幔柱是板块运动的驱动力，地
注：本文为中国科学院战略性先导科技专项（B类）项目“地球内部过程的地表效应”（编号XDB18030300)资助的成果。

收稿日期：2020-05-20;改回日期：2020-07-30;网络发表日期：2020-08-24;责任编辑！黄敏。

作者简介•.李献华，1961年生，研究员，中国科学院院士，主要从事同位素地质年代学、岩石地球化学、化学地球动力学研究和微区分析技 术研发与应用研究。

Email:***********.cn。

引用本文：李献华.2021•超大陆裂解的主要驱动力一地幔柱或深俯冲？地质学报，95 ( 1 ): 20〜31. doi: 10. 19762/j. cnki.
dizhixuebao. 2020267.
Li Xianhua. 2021. The major driving force triggering breakup of supercontinent：mantle plumes or deep subduction? Acta
GeologicaSinica，95(1):20〜31.
第1期乍献华：超大陆裂解的主要驱动力地幔柱或深俯冲？21
图1超大陆裂解的两种可能主要驱动力示意图
Fig. 1Schematic diagram of two possible major
driving forces for supercontinent break-up
(1) 一地幔柱上升产生的主动推力；
(2) —环大陆俯冲后撤产生的被动拉张力
(1)—the active pushing force of rising mantle plumes within the supercontinent (..bottom-up”）；( 2 ) the passive extensional stresses resulting from the development of encircling and retreating subduction zones (“top-down”）
幔柱上涌导致大陆隆起、破裂并最终裂解。

在古地 理重建的基础上，Anderson(1982，1994)发现现今的大西洋-非洲高大地水准面（Atlantic-African geoid high)位于Pangea超大陆的中心，而全球绝大 多数的“热点”均位于该高大地水准面和赤道太平洋 高大地水准面上，并伴随持续100 M a的大范围高 温岩浆活动.超大陆的隔热作用使得下伏地幔产生热膨胀和水平温度梯度.导致使大陆发生隆起和破裂。

A nderson认为“热点“形成于软流圈上地幔而不是核幔边界。

虽然学术界对地幔柱是否起源于核 幔边界仍存在争议.但大多数学者普遍认同地幔柱是热点、溢流玄武岩和大火成岩省（U P)形成的主要机制。

Veevers (1989)对Pangea超大陆的热演化研究结果支持A nderson的这个模式。

Storey (1995)系统总结了冈瓦纳古大陆裂解的过程并分析 了地幔柱活动在冈瓦纳古大陆裂解中的作用（图2)。

冈瓦纳古大陆是Pangea超大陆南边的半个超大陆，其裂解可以分为三个阶段，第一阶段为早侏罗 世（〜180Ma)的初始裂解期，在西冈瓦纳（非洲-南 美）和东冈瓦纳（南极-澳大利亚-印度-新西兰）之间 形成海道，〜156M a在索马里、莫桑比克和威德尔海盆形成海底扩张；第二阶段为早白垩世（〜130Ma),南美大陆与非洲印度大陆分离，后者与南 极大陆分离；第三阶段为晚白垩世（〜1〇〇〜90Ma)，澳大利亚-新西兰与南极大陆分离，随后印度与非洲-南极大陆分离快速向北漂移，马达加斯加、塞舌 尔与印度分离。

在冈瓦纳古大陆裂解的三阶段过程中，均有相关的地幔柱活动，包括〜18〇M a的Bouvet/Karoo 地暢柱、〜130Ma的 Tristan 地授 柱、〜1l〇M a的St H e le n a地暢柱、■〜■100 M a的 Marie Byrd Land 火成岩省、〜88Ma 的 Marion 地 帳柱和〜66M a的Reunion/Deccan地帳柱，其中第 二和第三阶段的大陆分离与地幔柱活动有很好的时-空相关性，表明地幔柱对大陆裂解有重要的作用，但是Bouvet/K aroo地幔柱活动与冈瓦纳大陆第一阶段裂解形成的最早洋盆记录相差了〜26M a。

Pangea超大陆北部劳伦与冈瓦纳的初始裂解也有类似的情况。

与地幔柱有关的屮大西洋岩浆省(CAMP)总面积超过1100万km2，是地球上保存的 最大的陆地大火成岩省（U P)，形成于〜201 Ma (Blackburn et al.，2013)，比 Pangea超大陆最早裂 解形成的〜17〇M a阿尔卑斯特提斯洋（Li Xianhua et al.，2013)早〜30M a，似乎指示C A M P地幔柱不 是导致Pangea超大陆最初裂解的直接原因，即除了 地幔柱之外，超大陆裂解还需要其他的驱动力.如超 大陆隔热效应导致的地幔热异常以及板块构造应力 场的改变（Storey,1995)。

Rodinia超大陆在〜9亿年前最终聚合之后（Li Zhengxiang et al.，2008)发生了多期地幔柱活动，其地质记录包括〜825 M a扬子南缘益阳科马提质玄武岩-基性岩脉、金川超基性岩、澳大利亚中南部同时代的Gairdner基性岩墙群-W illouran基性岩省（Wingate et al.，1998; Li Zhengxiang et al.，1999；Li Xianhua et al. ,2005；Wang Xuance et al. , 2007, 2010)、〜800M a的扬子西-西北缘苦橄岩-大陆溢流玄武岩和阿德雷德基性岩省（Zhao Jianxin et al.，1994; Wang Xuance et al.，2008)、〜780 M a北美西部岩墙群-扬子康定岩墙群（Park et al.，1995 ；Harlan et al. ,2003；Lin Guangcun et al.，2007)、〜755 Ma 的西澳 Mundine Well 基性 岩墙群和扬子西缘基性岩墙群（Li Xianhua et al.，2006; Li Zhengxiang et al.，2003)和〜72〇Ma 的 Franklin基性岩墙群（Ernst et al.，2001)等，据此，一些学者提出以华南为中心的〜825〜725 M a超级 地幔柱活动导致了R odinia超大陆在〜750〜720Ma最终裂解（图 3,Li Zhengxiang et al.，2003, 2008; Li Xianhua et al. , 2006) 〇Li Zhengxiang et al. (2009)统计发现.超大陆聚合过程中地幔拄活动频率很低，超级地幔柱一般在超大陆形成之后的一段时间形成，晚太古代以来的几次超大陆旋回与超级地幔柱活动有很好的耦合关系，指示两者的内
在
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图2 冈瓦纳古大陆重建图（a) 200 M a;(b) 100 Ma (据S to re y,1995)
Fig. 2 Gondwanaland reconstructions for (a) 200 Ma» and (b) 100 Ma (after Storey* 1995)
图3 Rodinia超大陆下新元古代超级地幔柱的示意图
(据Li Zhengxiang et a l.，2003)
Fig. 3 Schematic diagram of Neoproterozoic superplumes
under the Rodinia supercontinent
(after Li Zhengxiang et a l.，2003)
联系（图4)。

2俯冲学派
另一些学者用俯冲模式解释Pangea超大陆的 裂解机制。

Keppie (2015, 2016)重新评估了全球中生代板块漂移的数据资料.认为大西洋打开与特提斯洋俯冲消亡密切相关，即通过地中海地区的转换断层，特提斯洋俯冲下沉产生的拖拽力导致了Pangea超大陆的早期裂解和大西洋扩张；晚古生代 以来，特提斯大洋板片向欧亚大陆持续俯冲产生的板片拖拽导致大洋另一侧冈瓦纳大陆被动陆缘不断发生裂解（Stampfli et al.，2002; Wan Bo et al.，2019)。

Cawood et al.(2016)总结了中元古代末-新元 古代环绕Rodinia超大陆与俯冲作用相关的增生造山带地质记录，包括劳伦大陆东北缘1025〜730Ma 的Valhalla增生造山带、北极阿拉斯加-楚克奇半岛 的新元古代早-中期增生造山带、西伯利亚大陆西缘 Yenisei Ridge、西南缘Dariv-Shishkhid-Gargan 带 和南部的Baikal-M uya带的新元古代早期增生造山 带、波罗的大陆东-东北部新元古代中晚期增生造山 带、以及南美-西非的新元古代中晚期Avalonia-Cadomia岩浆弧，根据这些Rodinia超大陆外缘新元古代增生造山作用与超大陆内部岩石圈伸展裂解在时间t的耦合，作者提出Rodinia超大陆裂解 与环大陆俯冲相关，即环绕超大陆外缘的巨型环形俯冲带的后撤引发了超大陆内部发生裂解（图5)。

环形俯冲作用可以导致超大陆下的软流圈地幔孤立 于外部地幔而进一步引发热点、地幔柱和大陆裂谷，但后者不是超大陆裂解的必要条件。

俯冲后撤模式 可以合理解释早古生代冈瓦纳古大陆北缘的逐步裂 解，如晚寒武世原特提斯洋向冈瓦纳占大陆北缘俯冲打开R heic洋导致Avalonian地块群发生裂解；晚志留世Rheic洋向冈瓦纳占大陆北缘俯冲打开古 特提斯洋导致H i m超级地块发生裂解（图6, Stampfli et a L，2002)，但是否可以解释超大陆内部 的裂解仍需做进一步的研究。

3地球动力学数值模拟研究
近年来一些学者开展的地球动力学数值模拟研 究为理解超大陆裂解机制提供了重要的约束，但同 时也存在不同的结果和观点。

Li Zhengxiang et al.
(2009)的地球动力学数值
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ng et al. , 2009)
n (after Li Zhengxiang et a l.，2009)
3500
3000
2500
2000
1500
年龄（Ma )
u ，
1000
图4超大陆与超级地幔柱6亿年旋回的耦合关系（据Li Zhengxia: Fig. 4 The coupling and a •〜600Ma cycle of supercontinent-superplume since early Archea (a) 490 Ma
图5环超大陆俯冲后撤导致Rodinia 超大陆裂解
(据 Cawood et a l.，2016)
Fig. 5 Break-up of Rodinia supercontinent caused by
encircling and retreating subduction zones (after Cawood et a l.，2016)
模拟研究结果显示：具有活动板块的地幔对流会交 替存在两种模式：①没有形成超大陆时期，一个半球 以下降流为主，而另一个半球则以上升流为主，即： 球谐一阶结构为主的模式。

此时，地球表面的小陆 块朝下降流为主的半球汇聚，显示超大陆的聚合过 程；②超大陆形成之后，在超大陆边缘形成围绕超大 陆的环形深俯冲，由此产生的横向隔热效应会导致 超大陆下方也产生上升流。

这样，在两个半球存在 对跖的上升流，使得对流模式发生改变，目卩：球谐二 阶结构为主的模式。

此时，超大陆下方的超级地幔 柱会通过抬升运动、火山活动等破坏超大陆，最终导
致超大陆的裂解（图7)。

这种模式下虽然存在环形 俯冲，但导致超大陆裂解的主要驱动力依然是超级 地幔柱。

Dal Zilio et al . (2018)对板块俯冲及引发的地
幔流对大陆裂解的影响进行了热力学数值模拟，作 者模拟了由俯冲引起的地幔流沿大陆板块基底所发 生的拖拽力，并对俯冲大洋岩石圈板块滞留在上-下 地幔边界和俯冲板块进人到下地幔的两种模型进行
图6
(a) — 490 M a :原特提斯向南俯冲导致R h e ic 洋打
开-A valonian 地块群裂解；（b) — 420 M a : R h e ic 洋向南 俯冲导致古特提斯洋打开-H i m 超级地块裂解（据 Stampli et al. ,2002)
Fig. 6 (a )—Opening of the Rheic Ocean and fragmentation of Avalonian terranes caused by southward subduction of Prototethys at 〜490 Ma; ( b) —Opening of the Paleo- Tethys Ocean and fragmentation of the Hun superterrane caused by southward subduction of the Rheic Oceanat 〜 420 Ma (after Stampli et al. ,2002)
了比较。

当大洋岩石圈板块俯冲局限在上地幔时, 大陆裂解发生的距离与有效上地幔厚度相当（距海
超大陆：凯诺兰哥伦比亚罗迪尼亚潘基亚
4
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图7活动顶盖地幔对流地球动力学数值模拟研兄结果（据Li Zhengxiang et a l.，2009)
Fig. 7 Numerical modelling results of the mobile-lid convection (after Li Zhengxiang et al. »2009)
U)—全球小规模对流状态以13)—球谐一阶早期阶段（超大陆聚合）；（c) 一稳定的球谐一阶形状态，在超级下降流（“冷羽”）之上形成超大陆K d)—球谐二阶早期阶段，超级地幔柱在超大陆下方发展；（e) —球谐二阶完成，在两个半球形成对跖的超级地幔柱导致超大陆裂解（在d向e过渡期间形成真极移）
(a)—a global state of small-scale convections；(b) — an early stage of degree-1planform (supercontinent assembling stage)；
(c)—^stable degree-1 where a supercontinent forms above a super downwelling (or “cold plume”）；(d) — formation of a degree-2 plantform (early stage of superplume development beneath the supercontinent；(e)—and fully developed degree-2 planform (antipodal superplumes and breakup of the supercontinent；note the true polar wander event between d and e)
沟〜500 k m)，从而形成边缘海盆地扩张；当俯冲板 块进人下地幔时，引发的地幔流范围将更大，所引发 的张性应力可以从海沟延伸至内陆〜3000km。

作 者认为，超大陆边缘的大洋岩石圈俯冲过程中引起的地幔流是导致大陆裂解的主要驱动力，裂解的空 间尺度主要受俯冲方式的影响（图8)。

而Yang T e t a l.(2018)的动力学模拟结果显示，古老俯冲洋 壳在上地幔底部的水平运动也能够引起几千公里外 的地幔上涌和陆内裂谷。

Heron et aL(2015)的数值模拟结果进一步显 示，当一定规模的超大陆形成后，地幔柱一般形成于 距超大陆边缘俯冲带2000〜3000 k m而不是超大陆的中心，作者认为地幔柱/超级地幔柱的形成主要 取决于超大陆边缘的俯冲带，而不是超大陆的热隔离或深部的热化学堆效应。

相反，Zhang N et al. (2018)的模拟结果却显示在超大陆内部地幔柱上涌产生的推力比俯冲后撤产生的应力大三倍，地幔 柱产生50K的异常高温就可以产生足够的推力导致大陆裂解，俯冲后撤产生的拉张力只能影响到距大陆边缘〜600 km。

显然，目前已有的地球动力学数值模拟结果还 没有为超大陆裂解的动力学机制提供严格的约束，还需要做进一步的工作。

4 B ottom-up 与 T op-dow n 的关系
地球是类地行星中唯一具有板块构造的星球。

自5〇年前板块构造理论建立以来，大量的观测资料 和研究结果显示，板块构造主导了现今地球的洋-陆 格局，山川地貌和各个圈层的物质和能量交换。

然 而，学术界对板块运动的动力来源一直存在争议，主要是早期的B ottom-up和现今更为流行的Top dow n两种机制，前者认为板块运动受控于板块之下、起源于核幔边界的地幔柱而导致的地幔对流；后 者认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负 浮力，板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作 用，并得到了许多地质和地球物理观测的支持（
见
第1期李献华：超大陆裂解的主要驱动力地幔柱或深俯冲？25
(a)
边缘盆地
俯冲局限在上地幔
(b) 俯冲进入下地暢
远端盆地
图8大洋板块俯冲引起的地幔流和大陆裂解示意图（据Dal Zilio et a l.，2018)(a，上地幔俯冲模型；b，全地幔俯冲模型。

较粗的黑色箭头表示较强的地幔流动和基底牵引。

边缘盆地与海沟的距离a和远端盆地与海沟的距离b是基于均质大陆模型中获得的）
Fig. 8 Cartoon showing the subduction induced mantle flow and continental breakup (after Dal Zilio et al. . 2018) (a and b are for the upper-mantle confined and whole mantle subduction models, respectively. Thicker black arrows indicate more vigorous mantle flow and basal tractions. Distances of a marginal and of b distal basins from the trench are those found in models with a homogeneous continent)
Chen Ling et al.，2020 综述）。

Hofmann et al. (1982)最早提出大洋板内洋岛 玄武岩（OIB)起源于深俯冲至核幔边界的洋壳玄武 岩（MORB)的重熔（图9)，首次把板块俯冲和地幔柱有机地结合在一起。

作者用这个模型合理地解释 了O IB—些特殊的地球化学和同位素组成特征，包 括01B具有较高的不相容微量元素含量、与MORB 类似的亏损Sr-N d同位素组成和较高的放射成因P b同位素组成，表明其源区与原始地幔相比有较低 的Rb/Sr•和Nd/S m比值和较高的U/P b、Th/Pb 和U/T h比值。

大量的后续研究不断地对该模型进行了检验和深化，特别是有关地幔柱是否起源于核幔边界进行了大量的元素和同位素地球化学示踪 研究（如珀族元素、Fe/M n比值、稀有气体同位素等）。

虽然目前学术界对地幔柱是否起源于核幔边界仍存在不同的认识，但是近年高精度W同位素分 析结果明确指示一些与地幔柱有关O IB源区的确 有地核物质的加入（如Mundl et al.，2017; Rizo et al.，2019; Mundl-Petermeier et al., 2020)。

与其 他元素和同位素示踪体系相比，182Hf-182W衰变体系是鉴别玄武岩是否有地核物质加人的最佳示踪剂，这是因为182H f的半衰期只有9M a,在地球形成 后〜60M a就衰变殆尽了，H f(亲石元素）和W(亲铁 元素）在地球形成早期核幔分异过程中因地球化学性质不同而分别进人地幔和地核，导致现今地核的182W/184W比软流圈上地幔低〜200X10—6(地核 的，2W =—200,软流圈上地幔的=0，Ri z〇et al.，2019)。

很多O I B的为负值（最低至约一23)，而且^182\¥与3H e/4H e呈负相关关系，指 示这些与地幔柱有关的O IB有地核物质的加入，很 可能是三个端元物质的混合（Mundl-Petermeier et al.，2020)。

和其他类地行星一样，地球在最初形成时并无板块构造，地球上板块构造何时起始、如何演化以及 现代样式的板块构造体系是何时形成的，仍然是地 球科学最具挑战的一个前沿科学问题（见 Korenaga，2013; Zheng Yongfei et al.，2020 综 述）。

从这个问题可以衍生出一个相关的问题，即地 球早期是否有地幔柱？如果有，是否类似于现今的地幔柱也是板块深俯冲至下地幔或核幔边
界触发形
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图9洋岛玄武岩形成模型的卡通图
(据Hofmann et al. ,1982)
Fig. 9 Cartoon showing the formation of oceanic island basalts (after Hofmann et a l.，1982)
大洋岩石圈俯冲转化为相对致密的榴辉岩和后榴辉岩组合分离，下沉到较深的地幔，堆积并储存在核幔边界；随后内部加热上升形成 地幔柱，地幔柱部分熔融形成洋岛火山活动
Oceanic crust is subducted and transformed into relatively dense eclogite and post-eclogite assemblages. It separates, sinks into the deeper mantle，and is accumulated and stored at the core-mantle boundary. Eventually it becomes sufficiently hot to form plumes that rise to the surface and produce oceanic island volcanism
成的？这个问题不仅关系到Bottom-u p与Top-down之间的关系 ，而且也直接关系到超大陆裂解的地球动力学问题。

金星和火星的研究对理解这个 问题非常有启发。

根据“麦哲伦号”金星探测器的雷 达图像.在金星表面共识别出116个放射性裂缝系统（Grosfils et al.，1994),绝大多数半径>200 km。

火星上的T h a rs is巨型盾状火山，高达14〜18km、直径〜5000 km.伴随16个岩墙群，形成年龄 为 3.8 〜3. 7 Ga 或 3.5 ■〜3. 1Ga(Scott et al., 1986)。

这些放射状岩墙群非常类似于地球上已经确定的与地幔柱有关的巨型放射状岩脉群的几何结 构（Ernst et al.，2001)。

由于金星和火星上没有板 块构造运动，也没有明显的后期地质作用改造，表明 现今观测到的岩墙群的几何学特征、分布和规模上 基本保持其原始状态，推测其成因类似于地球上与地幔柱有关的大火成岩省和岩墙群。

如果这个解释 正确，那么类地行星早期应该存在地幔柱，即板块深 俯冲不是形成地幔柱的必要前提.地幔柱可以独立于板块构造，并有可能触发了地球早期的板块构造(Gerya et al.，2015)。

板块构造的重要特点之一是地壳物质通过板块 俯冲返回地幔（即地壳物质的“再循环”），早前寒武 纪（特别是太古代早期）的地质、构造、古地磁等信息和记录容易受到后期地质作用的埋藏、改造和破坏
而难以完全保存下来，因此古老岩石和矿物的地球
化学示踪成为研究板块构造起始和演化的一个最重
要的方法。

地球化学家们用这样的研究思路开展了
大量的研究，结果显示地球上最早的板块构造很可
能起始于冥古宙中太古代（〉4.0〜3.〇G a)(如 Harrison,2009；Korenaga，2013；Tang Ming et
al_，2016; Poitrasson，2019)。

如果这些认识是正
确的，那么由此可以衍生出第二个相关的问题，太古
代的板块俯冲是否和现今的板块构造一样可以深俯
冲至下地幔或核幔边界，并由此触发地幔柱上升？
变质作用实验和地质记录非常有助于理解这个问
题。

大量的研究结果表明，由于地球早期热流高，太
古代洋壳比现今洋壳更厚，成分更偏基性（含有较多
的高M g苦橄岩等超基性岩）。

高温高压实验结果
显示，在太古代早期地温梯度条件下，苦橄岩将变质
形成辉石岩，辉石岩部分熔融产生基性玄武岩，洋壳
俯冲和再循环发生在浅部上地幔；晚太古代以后，洋
壳俯冲加深、变质作用形成石榴角闪岩经部分熔融
图10洋壳俯冲和地幔亏损随时间演化的模式
(据Foley et. al. , 2003)
Fig. 10 Model for progressive deepening of the depleted
mantle with time (after Foley et al. , 2003)
(a) —太古代较厚的洋壳形成与俯冲再循环局限在上地幔浅部；
(b) —晚太古代之后洋壳变薄，上部玄武岩可以俯冲更深通过部分
熔融转变为榴辉岩，开启了现代样式的板块俯冲
(a)—Oceanic crust produced from a layer restricted to the uppermost 200 km during Early Archean time；(b) the modern
picture where deep subduction drives the vestiges of plates into the lowermantle. Only after thinning of the oceanic crust allowed widespread transformation of basaltic upper crust into eclogite via
partial melting at the end of the Archean mayeclogite have helped to
initiate the modern subduction
style
第1期李献华：超大陆裂解的主要驱动力 地幔柱或深俯冲？
27
Ed Cr
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Sta « Or
Rh
Si
m id d77dZ,
低 d 7/d/)
Low d77d/)
0 12
3 4
年龄(Ga)
图11 全球变质作用地温梯度与时间的关系（据Brown et a l.，2018)
Fig. 11
Variation of metamorphic thermal gradient through time (after Brown et al. , 2018)
实线显示了按照地温梯度类型数据做的线性回归.虚线显示了高d T V d P 类型变质作用的二阶多项式回归
The solid lines show linear regressions of the data by type,
whereas the dashed line shows a second-order polynomial regression for the high dT/dP type
形成酸性大陆地冗岩石（图10, Foley et al .，2003)。

这个结果与岩石地球化学和地球动力学模拟研究结 果一致，即地球早期热流高、板块强度低，洋壳俯冲 为短期幕式特征，随着地幔温度衰减，早期的短期幕 式俯冲逐渐演化为长期的、现今样式的板块构造
(Moyen et al . ,2012) …
不同板块构造环境有不同的地热梯度并记录在 变质岩中，因此不同地质时期的变质作用特征为理 解板块俯冲构造样式提供了独立的约束。

Brown et
al . (2018)根据变质作用的温度CT )/压力（P )将变
质岩分为三类：①高d T /d P (>775 T /GPa ，平均 〜1110 "C /G Pa )、②中等 d 77d P ( 775 〜375 X ：/
GPa ，平均〜575 °C /GPa )、③低 d 7V d P (<375 •(：/ GPa ,平均〜255 I ：/GPa )，其中地球早期太古代-古
元古代早期的变质作用以高和中等dT /d P 变质作 用为特征，指示的是“热俯冲”，新元古代以来出现低
dT /d P 变质作用（古元古代晚期-中元古代有个别 dT /d P 变质作用记录），指示“冷俯冲’’开始出现（图
11)，类似于现代样式的板块俯冲构造环境。

上述研究结果指示.如果Top -d o w n 机制是超 大陆裂解的主要机制，这种机制似乎比较适用于
Rodinia 和Pangea 超大陆的裂解，但是否适合更古
老的Nuna /Columbia 超大陆裂解，还缺乏应有的 “冷俯冲”记录，仍需要继续研究。

另外，晚太古代是
C M
P NP MP 否有超大陆仍是一个非常有争议的问题，如
Willmms et al . (1991)认为存在晚太古代-古元古代
早期的 Kenorland 超大陆，而 Bleeker et al . (2003) 则倾向于晚太古代存在Slave 、Superior 和Kaapvaal 三个大的超级克拉通。

5进一步的地质记录研究与模型检验
目前学术界对超大陆裂解的主要驱动力主要有
Bottom -u p 和Top -d o w n 两种不同的认识，究竟哪
一个过程对超大陆裂解起主导作用，或者两者都有 不同程度的贡献，是今后地球内部动力学研究的- 个重要内容，其中对上述两种理论模型的预测和前 提进行地质记录检验，是深人理解超大陆裂解主要 驱动力的一个重要切人点。

地幔柱模型的一个重要预测是，与超大陆上
L IP s 相对应的地球另一侧的大洋中应该存在对妬
的LIPS ，类似于现代的非洲-中太平洋对跖的热异 常，代表了 Pangea 超大陆裂解时位于超大陆下方和 地球另一侧对跖的超级地幔柱。

对于Rodinia 超大 陆裂解的超级地幔柱模式，丨」Zhengxiang et al _ (2013)也提出了与Rodinia 超大陆下超级地幔柱一 个对妬大洋下的超级地幔柱（图12)。

由于绝大多 数古老的大洋岩石圈都俯冲消亡了，只有极少数保 留在造山带蛇绿岩里，所以对于前寒武纪超大陆旋
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