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Nature： 地幔柱誘發(fā)最早板塊運(yùn)動(dòng)*

劉文浩※編譯

(中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)中心，蘭州730000)

眾所周知，地球巖石圈分為6大板塊，而且這些板塊是不斷運(yùn)動(dòng)的。 但是，什么因素引發(fā)了第一次板塊運(yùn)動(dòng)？ 第一個(gè)板塊俯沖帶又是如何產(chǎn)生的？ 2015年11月12日刊登于Nature的一篇文章《地球上板塊構(gòu)造由地幔柱誘導(dǎo)俯沖產(chǎn)生》(Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation)回答了這些問題，并提出了誘發(fā)這種俯沖機(jī)制的3個(gè)主要物理因素： ①有強(qiáng)大浮力的海洋巖石圈； ②地幔柱巖漿對(duì)上部巖石圈集中持續(xù)的減薄作用； ③水對(duì)板塊界面的潤滑作用。

來自蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)(ETH)的科研人員從金星表面的研究中獲得了啟發(fā)。 通過觀測(cè)金星上巨大的、 類似于火山坑的圈狀地貌，研究人員推測(cè)，地幔柱在由金星的鐵質(zhì)內(nèi)核向外運(yùn)動(dòng)的過程中，帶來大量的熱的熔融物質(zhì)，使得金星巖石圈變得脆弱，發(fā)生變形，熔融物質(zhì)在侵蝕巖石圈之后繼續(xù)蔓延，最終呈現(xiàn)為蘑菇狀。 研究人員推測(cè)這種過程在地球內(nèi)部也可能存在，從而在地球巖石圈上創(chuàng)造了板塊運(yùn)動(dòng)最初啟動(dòng)所需的條件。

為了驗(yàn)證這一推測(cè)，研究人員研發(fā)了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，首次利用高分辨率三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)地球地幔柱進(jìn)行了模擬。 結(jié)果表明，地幔柱弱化了其上部的巖石圈，形成了一個(gè)圓形、 脆弱的直徑達(dá)數(shù)十到數(shù)百公里的環(huán)帶。 隨著范圍的變化，環(huán)帶的邊緣被撕裂。 隨后，水開始蔓延至整個(gè)巖石圈并起到潤滑效果，剛性較重的巖石圈陷入了柔軟的地幔，第一個(gè)板塊邊緣隨即產(chǎn)生，形成的張力最終牽動(dòng)了整個(gè)板塊的運(yùn)動(dòng)。

在模擬中，研究人員比較了不同溫度條件和巖石圈的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)由地幔柱誘發(fā)的板塊運(yùn)動(dòng)很可能在前寒武紀(jì)(約30億年前)大范圍盛行。 雖然當(dāng)時(shí)地球巖石圈很厚，但是地幔溫度較高，仍能提供足夠的熱量來削弱巖石圈。 計(jì)算機(jī)模擬顯示，在當(dāng)今條件下，巖石圈和地幔柱的溫差很小，地幔柱很難引發(fā)板塊俯沖，因?yàn)閹r石圈已經(jīng)具有一定的穩(wěn)定性，導(dǎo)致地幔柱無法對(duì)其產(chǎn)生足夠的削弱作用。 此外，模擬結(jié)果還表明，三重連接板塊(即有3個(gè)板塊連接在一起)的成因可能是多向地幔柱引起的巖石圈拉伸，這種情況在非洲、 埃塞俄比亞、 厄立特里亞等地普遍出現(xiàn)。 地幔柱導(dǎo)致的能形成板塊運(yùn)動(dòng)的這種構(gòu)造脆弱區(qū)在世界很多地方都存在，因此，基于該新模型可以很好地模擬這些區(qū)域的位置、 形狀和傳播范圍。

文獻(xiàn)來源： Gerya T V，Stern R J，Baes M，et al. Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation. Nature，2015，527(7577)： 221-225. doi.10.1038/nature15752.

中圖分類號(hào)：P542+.5；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.003

通訊作者：※劉文浩，e-mail: liuwh@llas.ac.cn。

* 收稿日期：2015-12-03； 采用日期： 2015-12-15。