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JAES:大陆裂解的诱因

 走路先生 2020-05-07

地球上的大陆可以聚集在一起形成超大陆,超大陆可以通过一个被称为大陆漂移的假设过程,分裂成大小不等的碎片散布在全球各地。大陆漂移假说在60年的争论后幸存下来,并发展成为具有无可置疑和无可辩驳证据的强有力的板块构造理论。这种叙述性的说法在科学界是大家都熟悉和接受的,但是科学家们在讨论大陆分裂的原因时有所不同。一些人主张地幔柱,特别是超地幔柱是成因(“自下而上”),而另一些人则强调板块构造是成因(“自上而下”),还有一些人认为两者都是必要的。

在这篇论文中,作者提供了一个容易理解的地质分析,对板块构造和地幔柱的可能驱动机制,认为大陆分裂是板块构造的直接后果,而不需要地幔柱。地幔柱,如果需要的话,可能在裂谷早期有帮助,但不能导致完全分裂,更不用说推动破碎大陆的远距离扩散。

热损失驱动地球进程:我们常说地球内部的热量为大多数地质过程提供动力,但确切地说,动力机制是地球对地表的热量损失。这可以理解,因为相对于地球的深部内部,浅层地幔很容易失去热量,使浅层地幔物质冷却、致密,并由于重力而趋于下沉,同时也由于重力而使温暖的深部地幔物质位移上升,形成亚瑟·霍姆斯(Arthur Holmes,1931)提出的经典地幔对流电流回路。尽管这张对流流图过于简单化,而且我们今天所理解的可能是不正确的,但它仍然正确地描述了地球冷却产生的热对流的概念。

对流是一种由压差驱动的质量运动现象。在地球引力场中,由于任意给定深度处的密度对比,压差由浮力对比控制。成分差异和温度差异都会产生密度差异,从而产生浮力对比,从而导致地幔在不同尺度上的对流。热对流要求存在较大温度对比的热边界层(TBLs)。目前的理解是地球上有两个热边界层。顶部低温热边界层(TCTBL)是岩石圈板块,它冷却地幔并驱动板块构造。基底热边界层(BHTBL)位于地核-地幔边界,它冷却地核,并形成地幔柱(Davies and Richards,1992,Davies,1993,Davies,1999,Bercovici et al.,2000,Niu,2005a,Niu,2014,Niu,2018)。有些人可能认为660公里的地震不连续(即600-D),即上地幔下边界,是一个TBL,但这不太可能,因为660-D的热传递(或热“均一化”)是通过“对流”过程有效完成的,全球许多俯冲板块渗透到下地幔就证明了这一点。同样,质量平衡也需要同样数量的下地幔物质上升到上地幔。因此,660-D不是TBL。地幔过渡带中的板块在660-D以上的某些地方的停滞可能会阻止这些板块的局部质量和热交换,但它们不是永久性特征,肯定不是热源,而是热沉。因此,660-D不是产生异常热羽流的TBL。

板块构造与地幔冷却:当下伏软流圈因板块分离而上升并经历减压熔融时,洋壳在洋脊处形成(例如,McKenzie&Bickle,1988)。这样产生的玄武岩熔体,在提取时,用留在地幔中的橄榄岩残余建造海洋地壳,增加海洋岩石圈板块的新生长(例如,Niu,1997)。这些板块的运动、它们的沉降和热缩作用随时间而变厚,以及它们通过俯冲带最终进入地球深部的循环,提供了冷却地幔的有效机制,这就是板块构造的工作原理,也被理解为地幔热对流的主要驱动力(例如,Forsyth和Uyeda,1975年,Parsons和McKenzie,1978年,Davies和Richards,1992年;Stein和Stein,1996年;Niu和Green,2018年)。尽管这一点已被充分理解,但在讨论推动海底扩张和板块构造的实际力量时,仍然存在不同的观点,这些因素在很大程度上受到牛(2014)所讨论的旧教科书的影响。事实上,Forsyth和Uyeda(1975)的观测数据是充分的信息,尽管这些数据还没有得到充分的理解。我在图3中绘制这些数据,以说明这些数据在可能驱动板块运动和板块构造的主要/主要力方面的重要性,即板块拉力(FSP)、脊推(FRP)和板块基底阻力(FBD)。

地幔柱与地核冷却(?)

地幔柱假说是由于需要解释板块内部发生的岩浆作用,如夏威夷火山作用,而板块构造理论无法解释。威尔逊(1963)首先将夏威夷等板块内火山称为“热点”,具有相对固定的深源,比移动的太平洋板块更深,因此不受其影响。Morgan(1971)进一步提出热点是来自核幔边界(CMB)的地幔热柱的表面表现。地幔柱假说后来被广泛接受来解释板内岩浆作用,特别是在实验(如Campbell&Griffiths,1990)和数值(Griffiths&Campbell,1990)模拟之后,认识到大型火成岩省(LIPs)是在CMB开始并在上升过程中吸积的巨大地幔柱的产物。地幔柱形成的嘴唇是海洋盆地中的海洋高原和陆地上的泛滥玄武岩。然而,我们应该注意到,关于地幔柱是否确实是由于地球的冷却而存在,或者它们的存在是否纯粹是为了便于解释某些地球现象(Anderson,1994,Anderson,2004,Foulger and Natland,2003,Niu,2005a,Davies,2005,Foulger,2005,Foulger,2010,坎贝尔,2005年,坎贝尔和戴维斯,2006年)。为了解决这场争论,牛等人。(2017)提出,检验地幔柱假说的有效方法是通过在理想地点钻探,查明堪察加-鄂霍次克海基底的组成。这是因为,如果地幔柱确实如所建议的那样起源于CMB,则需要一个巨大的地幔柱将材料从深地幔带到地表。然而,经典的夏威夷地幔柱似乎没有一个遗传相关的地幔柱产品,如嘴唇。堪察加-鄂霍次克海基底很可能是夏威夷地幔柱头部产物(Niu等人,2003)。值得一提的是这里的争论,但我们集中在地幔柱假说的基本假设和物理基础上,以便翔实地评估地幔柱是否可能是导致超大陆解体和扩散的必要因素。

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