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超越板块构造后的新进展 精选

已有 2323 次阅读 2020-9-24 12:59 |个人分类:大陆漂移|系统分类:论文交流| 超越板块构造, 大陆漂移, 流变学


超越板块构造后的新进展

梁光河

lgh@mail.iggcas.ac.cn

 

1 美国首提超越板块构造

自从全球大洋中发现诸多古大陆残片,对基于海底扩张的板块构造说提出了新挑战。美国科学家也意识到大陆漂移的动力机制问题,从而在21世纪初提出了超越板块构造,试图从大陆流变学研究出发重新解释全球大地构造。

美国科学基金在2002年白皮书中(Kronenberg et al., 2002)提出: Beyond Plate Tectonics: Rheology and Orogenesis of the Continents(超越板块构造:大陆的流变学和造山作用)。

传统板块构造假定板块是刚性的,不变形或弱变形。实际上发现大陆板块存在显著的流变特征和多个滑脱面(图1)。因此流体作用、地壳和地幔岩石强度与流变特征是其中的关键研究内容。

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1 大陆岩石圈流变特征示意图

上世纪80年代通过美国和加拿大西部造山带的研究发现,该造山带主要是由洋内碎块拼贴而成,大多来自赤道或南半球,而很少有古老的陆壳 (Coleman, 1984; Howellet al., 1985)。时代从早古生代至今,发现中新生代多条蛇绿岩。事实上,不仅仅是北美洲西部,在环太平洋构造带都存在大量地体的拼合,中国东北东端的那丹哈达-兴凯地块和台湾可以归入环太平洋构造带的范围(张旗,2013)。冈瓦纳裂解的微陆块(地体)北漂不仅仅在特提斯带存在,在太平洋东部也存在。

地体构造概念的提出,虽然能够合理解释地质现象和观测事实,但由于没有合理的地体漂移动力机制,也说不清楚地体的漂移在哪个界面上(在软流圈还是莫霍面?还是其他?),更重要的是地体研究得到的结论与海底扩张不吻合甚至相反。最终被主流科学家认为“地体等同于没有解决动力机制的大陆漂移”,而被逐渐冷落。

总之,自美国提出超越板块构造后,发展了流变学研究。虽然地体构造可以解释很多地质问题,但地体构造也卡在了驱动力问题上,使该研究陷入停滞。为了合理解释板块运动的驱动力,近期又提出洋脊重力推力和负浮力拖拽等假说,这些假说都是建立在海底扩张框架理论下,而诸多观测事实说明海底扩张存在重大缺陷,以印度大陆的北漂为例,印度洋中的磁异常条带和散落的古大陆残片都是海底扩张模式难以合理解释的。

2 陆壳和洋壳的流变特征

大陆地壳包括上地壳和下地壳,上地壳的代表性岩石是花岗闪长岩和石英岩,而下地壳的代表性岩石是角闪岩(或辉绿岩和花岗岩混合物),上地幔的代表性岩石是橄榄岩。

超越板块构造研究中,做了大量陆壳和洋壳的流变学研究。理论研究和试验发现,陆壳和洋壳典型岩石的流变力学强度说明,在上地壳和下地壳之间存在薄弱面。在下地壳和上地幔之间的莫霍面存在更显著的薄弱面。特别是干的上地幔强度很大,而一旦有微量水加入,其强度显著下降1-2个数量级(图2)。这说明在俯冲带,随着含水沉积物(平均含水量可达7%)的带入,可以使俯冲带区域上地幔强度显著降低。

而大洋地壳和上地幔之间不存在薄弱面,它们是连续的过度层(图3)。这说明陆壳中的莫霍面可以成为滑脱面,而洋壳中的莫霍面不能成为滑脱面。实际上,洋壳上的高精度地震勘探也没有发现这个界面。

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2 大陆岩石圈流变学力学强度模型

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3大洋岩石圈流变学力学强度模型

研究也发现流体尤其是水对花岗岩桨的形成至关重要,以至于有人认为无水则无花岗岩。水和二氧化碳可使岩石固相线减低400℃。若无水在很高的温度如1000℃花岗岩也不会熔融。水饱和条件下,下地壳含长石的岩石固相线温度约为600℃。玄武岩也是类似,无水玄武岩很难熔融,至少需要1100℃以上才能熔融,而水饱和玄武岩熔融温度也会显著降低400℃,不到700℃就可以发生部分熔融(图4)。

降压过程也能使得深部物质发生熔融,图5说明玄武岩若从A点降压会进入B点的部分熔融区域。这说明降压熔融是有理论基础支撑的。

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4 陆壳、洋壳和上地幔代表性岩石固相线对比图

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5玄武岩降压熔融相图

3 基于力学特性的新大陆漂移模型

基于大量观测事实总结提炼,笔者提出了一个新大陆漂移模型,认为大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移,这个推动力来自一个个连续的伸展构造形成过程。当地幔上涌,在地壳下部的莫霍面造斜,因重力不均衡使得两侧地块向两边发生重力滑脱而移动,处于中心的上涌地幔因上升最高首先凝固,而已经移动的地块必然会在后面腾出空间,产生低压诱发下面地幔进一步上涌,上涌的地幔再进一步造斜从而推动地块进一步移动(图6),这是一个连锁的自发造斜和重力滑脱过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移(图7)。

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伸展构造热隆升派生的重力滑脱漂移过程示意图

7中大陆板块前端的俯冲带非常重要,俯冲沉积物中含大约7%结合水(赵仁杰等,2020)。俯冲输入物质随着俯冲深度的增加将发生强烈的脱水脱气、变形与变质作用。脱水脱气作用形成的水、挥发分组分可促使俯冲物质及其上覆地幔楔发生部分熔融。新生熔体组分可通过侵入作用、火山作用进入上部地壳,从而对地球浅部的物质组成与循环产生重要影响。与此同时,密度更大、更亏损的俯冲残余物质通过变质作用成为密度更大的榴辉岩等岩性物质,它们进入深部地幔。

随着俯冲深度的增加首先使洋壳玄武岩发生部分熔融,同步也有少量水进入上地幔使得洋壳区域上地幔强度显著降低,变成软岩。部分熔融的洋壳会随着大陆板块的持续前进而逐渐增多,增多的部分熔融体逐渐在大陆板块前部堆积扩展。同时在俯冲带深部发生脱水反应,在大陆板块陆壳前部中形成上涌的流体,成矿和地震与此密切相关。脱水后的洋壳和上地幔物质固相线显著增加,在大陆板块底部和后部的上地幔物质因缺水强度显著增大,为固态。而随着大陆板块的前移,其后部下面逐渐降压,诱发深部地幔物质降压熔融上涌,进一步在大陆板块后面造斜。

这个过程简单归纳起来就是:俯冲加水强度下降,陆块前部塑性流变;降压熔融地幔上涌,陆块后部连续造斜。

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简化的新大陆漂移模型示意图

 

图8 为细化的新大陆漂移模型示意图,图中大陆板块前部因俯冲带有大量含水矿物进入,无论洋壳还是陆壳熔点降低数百度,大陆板块前部深处处于湿软状态,俯冲到一定深度,洋壳物质和陆壳物质发生部分熔融并混合形成地壳流,它们逐渐回卷堆积上涌,在大陆板块前部形成伸展环境。

大陆板块底部和后部,因洋壳物质在前部已经脱水,变为近乎无水状态,在大陆板块后部无论陆壳还是洋壳都处于干硬状态。随着大陆板块的漂移,后面不断发生降压,使得上地幔不断上涌,陆块在重力作用下在莫霍面上发生滑移。滑移后深部地幔又发生降压熔融,进一步造斜,连续滑移形成一个持续的大陆漂移过程。

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8 细化的新大陆漂移模型示意图

这个动力机制模型说明,当一个小的陆块从超大陆上裂解后,超大陆基本上相对不动,只有小的陆块发生漂移就是图8的单边跑大陆漂移模式,印度次大陆从冈瓦纳裂解后的漂移就是一个实例。

如果一个巨型板块从中间裂解,形成近似对称的两侧陆块,就会形成如图9所示的双边跑大陆漂移模式,大西洋裂解就是一个实例。无论是单边跑模式还是双边跑模式都能合理解释大洋中散落的古大陆残片。

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9新大陆漂移双边跑模型示意图

 

4 重力滑移推力的定量估算

新大陆漂移模型中,地幔上涌产生的斜坡和沿斜坡的重力滑移是大陆漂移的主要驱动力,那么它能产生多大的推力?是否能够驱动大陆漂移?为了能够得到定量计算结果,需要简化上述模型。图10是一个简化的地幔上涌模型,假设一个地幔上涌产生一个斜坡,一个裂离的陆块在斜坡上产生重力滑移,那么就可以定量计算陆块沿倾斜面的重力分量所致的底部剪切力(吴汉珍,1997)。公式为p=g.ρ.H.(h/L)

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10 地幔上涌造成的大陆板块重力滑脱模型

式中,重力加速度g=9.8m/s2

假设:板块平均密度ρ=3*103Kg/m3

大陆板块厚度40公里H=40*103 m

伸展构造宽度80公里, 半边宽度L=40*103 m

伸展构造上涌高度4公里,h=4*103 m

则可得到重力滑移力:

p=9.8m/s2 *3*103Kg/m3 *40*103 m*(4/40)=117.6*106N/m2=117.6MPa

这说明如果地幔上涌高度为4Km时候,滑移推力为117.6MPa,由此推算地幔上涌高度达到板块厚度的一半20Km,则重力滑移推力可达588 MPa。刘鎏等(2012)通过数值模拟得出,只有在印度板块边缘施加450 MPa以上的推力,才能符合印度板块向北移动的观测结果。事实上如印度板块南侧的马尔代夫岛链已经涌出海面,说明其能够在部分区域上涌到整个板块厚度的40Km,那么这时候可以产生高达1176MPa的推力。

利用实测水平主压应力梯度33MPa/Km(毛小平,2020),也可以得到在40Km的深度,水平主压应力可达1320MPa。这说明地幔上涌造成的重力滑移产生的应力与实测应力在一个数量级,它应该是大陆漂移的主要驱动力。Hales(1969)和Jacoby(1970)的研究说明,地块在坡度 1/3000即可产生滑动。新大陆漂移模型中大陆板块后面持续的地幔上涌坡度远远大于这个坡度,而且会持续造斜产生新的坡度,形成如图8和9所示的大陆连续漂移。

5 新大陆漂移模型与全球构造运动

上述新大陆漂移模式不但能够合理解释全球地形地貌成因机制(图11),也能合理解释全球构造特征及空间分布规律和演化过程,更重要的是该模型也能解释大陆漂移与全球地震分布特征(梁光河,2018)。


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11 东半球大陆漂移轨迹及新大陆漂移模型

新大陆漂移模型与传统的海底扩张驱动大陆漂移存在两大不同(图12):

1)海底扩张动力在洋中脊岩浆上涌。新大陆漂移动力在大陆板块后地幔降压熔融自发上涌。

2)海底扩张可以深俯冲,新大陆漂移只能近似平俯冲,其他都一样。

新大陆漂移模型说明,全球大洋洋壳是一个整体,洋壳与上地幔紧密连接在一起,全球大洋板块没有动(如果大洋板块存在运动也是相对地核、地幔整体在运动),只有大陆板块在相对洋壳发生运动。

陆块有大有小,有薄有厚,都可以自发自动漂移,不再受限于必须垂直洋中脊方向漂移,还可以漂移过程中伴随着旋转,比如印度大陆板块就是北漂过程中,伴随着左旋。

洋中脊是初始裂开位置,以大西洋为例,中生代两侧大陆发生了主动漂移,它们共同产生拉伸作用,在原始裂开的洋中脊区域不断产生张裂,间歇性地产生玄武岩喷发。也就是说大西洋裂解产生的两侧大陆板块漂移只是一个特例。而转换断层的产生,是由于大陆板块后面产生的推力大小不一,产生差异拉力,在后面的洋壳上产生的走滑平移断层。

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12 新大陆漂移模型与海底扩张模型对比,上图为海底扩张模式,下图为新大陆漂移模式

 

6 印度板块北漂的动力机制

该驱动模式能够合理解释印度板块北漂的动力机制,那就是印度板块南部的岩浆上涌,形成了马尔代夫岛链,马尔代夫岛链的北端与印度大陆板块的接触界面形成了一个斜坡,该斜坡上部是印度大陆板块。在该斜坡上的陆壳巨大重力滑移推动下,印度大陆板块被推向青藏高原下部(图13)。这个模式也能够得到诸多地质和高精度反射地震勘探证据的支持(梁光河,2020)。

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13 印度大陆板块北漂的动力机制示意图

14是印度大陆板块南部和北部实测两条地震勘探剖面组合解译图,图中A-B剖面是印度大陆板块南部孟加拉湾区域一条石油地震勘探剖面,该剖面长约480Km,探测深度40Km。而C-D剖面是羚羊勘探计划-2测线利用天然地震P波接收函数剖面,该剖面长度约800Km,探测深度100KmA-B-C-D是从南到北横跨印度大陆板块的地质解译简化图。

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14 实测印度大陆板块俯冲解译图

 

7  结论

美国2002年提出超越板块构造后,推动了流变学的研究,启发了关于大陆漂移驱动力的深入研究。最新的研究说明,大陆漂移的主要动力机制是大陆板块后面持续的热上涌,由热上涌在大陆地壳下部产生的倾斜面,使得大陆板块产生重力滑移。滑移后在大陆板块后面产生降压,进一步诱发热上涌,如此连续产生造斜运动,形成重力滑脱,从而产生连续的大陆漂移。这个重力滑移力巨大,当地幔上涌高度达到大陆板块厚度的一半20公里时,重力滑移推力可达约588 MPa,足以推动大陆板块运动。印度大陆板块就是在该作用下向北漂移的。大西洋裂解后两侧的大陆板块也是这样漂移的,漂移后在大洋中留下了诸多大陆残片。新大陆漂移模型能够合理解释过去难以解释所有的地质现象,并能得到实测地质和地球物理资料的验证。

 

 

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