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內(nèi)容摘要：圖 1. 不同增生方式產(chǎn)生的巖石圈地幔成分和年齡結(jié)構(gòu)。A：快速的地幔柱或者俯沖作用所致。B：冷卻或者巖漿作用相關(guān)的底墊作用所致。C：俯沖疊置所致。D：側(cè)向增生所致。E：本研究所述的拆沉-浮合模型所致。

圖 1. 不同增生方式產(chǎn)生的巖石圈地幔成分和年齡結(jié)構(gòu)。A：快速的研究巖石地幔柱或者俯沖作用所致。B：冷卻或者巖漿作用相關(guān)的團隊提出底墊作用所致。C：俯沖疊置所致。圈增D：側(cè)向增生所致。生演E：本研究所述的拆沉拆沉-浮合模型所致。A-D產(chǎn)生的浮合巖石圈具有特定的年齡結(jié)構(gòu)（上老下新或者整體年齡相近）。E模型會產(chǎn)生古老巖石圈地幔底墊于年輕巖石圈地幔之下或鑲嵌于年輕巖石圈地幔內(nèi)部的新模型復(fù)雜巖石圈結(jié)構(gòu)。

圖 2. 巖石圈地幔拆沉-浮合的一般過程。綠色-黃色-紅色的研究巖石色表示巖石圈地幔物質(zhì)的濃度由低到高。A-C巖石圈拆沉和加熱：高程度熔體提取后的團隊提出巖石圈地幔，密度低于周圍地幔，圈增具有向上的生演浮力，但是拆沉在后期冷卻降溫作用下產(chǎn)生負浮力，使其沉沒。浮合下沉的巖石圈地幔在地幔深部逐漸被周圍高溫的地幔巖石加熱。D拆沉巖石圈上浮：被加熱后，拆沉的巖石圈地幔物質(zhì)的負浮力被化學(xué)成分導(dǎo)致的正浮力超越，因此產(chǎn)生停滯或上浮。E-F浮合及混合：上浮的古老虧損巖石圈地幔浮合于上方的巖石圈之下形成復(fù)雜的巖石圈結(jié)構(gòu)，未上浮的巖石圈地幔碎片與深部地幔混合形成不同尺度的異質(zhì)體。

圖 3. 拆沉-浮合旋回形成的古老巖石圈底墊于新巖石圈之下或鑲嵌于新巖石圈內(nèi)部的模型實例。拆沉-浮合旋回可以產(chǎn)生不同類型的巖石圈成分和年齡結(jié)構(gòu)（詳情參見原文），可以合理解釋深源巖漿巖和捕虜體所反映的不同地區(qū)的巖石圈成分和年齡結(jié)構(gòu)。
（神秘的地球uux.cn）據(jù)地大新聞網(wǎng)（記者 程曉龍）：一直以來，大陸地殼的起源及其與大陸巖石圈深部地幔部分（即克拉通地幔或巖石圈根）的關(guān)系復(fù)雜且極具爭議。太古宙克拉通往往具有巨厚的巖石圈根和復(fù)雜的年齡結(jié)構(gòu)，有些地區(qū)的古老地幔物質(zhì)底墊于年輕地幔物質(zhì)之下，有些地區(qū)的年輕地幔物質(zhì)存在于古老地幔物質(zhì)之下，還有一些地區(qū)的整個巖石圈地幔具有相近年齡。然而，迄今為止，沒有一個單一的模型（圖1 A-D）能夠解釋這些觀測結(jié)果，尤其是無法解釋古老巖石圈地幔底墊于年輕巖石圈地幔之下或鑲嵌于年輕巖石圈地幔內(nèi)部的特殊地質(zhì)現(xiàn)象。
針對這一科學(xué)難題，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室王振勝副研究員、地學(xué)院汪在聰教授、Timothy Kusky教授和澳大利亞莫納什大學(xué)Fabio Capitanio副教授合作，通過地球動力學(xué)數(shù)值模擬和地質(zhì)觀測聯(lián)合研究，在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上提出了一種新模型：拆沉—浮合模型，該模型解釋了大陸巖石圈長期演化形成的復(fù)雜年齡結(jié)構(gòu)關(guān)系（圖1 E）。該模型所代表的地質(zhì)過程概括如下（圖2）：
地球早期地幔溫度高，高程度部分熔融導(dǎo)致殘余的地幔虧損程度較高，因此具有化學(xué)成分控制的高浮力（產(chǎn)生向上的正浮力），逐漸聚集在地球淺部。隨著地表低溫?zé)徇吔鐚拥南蛳律L，熔融殘余的溫度變低，形成高粘度巖石圈。低溫產(chǎn)生的冷縮效應(yīng)會導(dǎo)致密度顯著增加，因此產(chǎn)生向下的負浮力。該作用逐漸抵消化學(xué)成分相關(guān)的正浮力，從而使冷巖石圈失穩(wěn)和向深部沉沒，被稱為拆沉作用（圖2 A-C）。拆沉的巖石圈進入地幔后，被地幔高溫加熱，使得溫度產(chǎn)生的負浮力逐漸被化學(xué)成分浮力超越，反而抑制下沉，導(dǎo)致被加熱的古老熔融殘余物質(zhì)上浮（圖2 D），并再度合并到淺部的巖石圈底部（圖2 E-F）。拆沉和上浮之間的時間間隔可以長達數(shù)千萬年到數(shù)億年不等。在這期間，淺部巖石圈在板塊構(gòu)造運動驅(qū)動下可發(fā)生數(shù)千公里移動，深部的古老巖石圈殘片也可以在地幔流驅(qū)動下發(fā)生大規(guī)模水平位移。因此上浮的巖石圈殘片可以合并到不同年齡的克拉通、造山帶或者大洋巖石圈底部形成復(fù)雜的巖石圈結(jié)構(gòu)。
該團隊將這種與拆沉相逆的大規(guī)模地幔巖石圈返回過程定義為大規(guī)模區(qū)域性浮合（Massive regional relamination）。“浮合”根據(jù)Relamination與Delamination（拆沉）的關(guān)系翻譯而來，其中“浮”與“沉”字相對，“合”與“拆”字相對。這種巖石圈先拆沉，而后被加熱和上浮，最終與淺部巖石圈再度拼接合并的動力學(xué)過程在地球數(shù)十億年的演化過程中可重復(fù)發(fā)生，因此被命名為拆沉—浮合旋回。該模型可以合理解釋大陸巖石圈地幔在來源、年齡和成分方面的廣泛不均一性，尤其可以解釋古老巖石圈地幔錯位于年輕巖石圈地幔之下或鑲嵌于年輕巖石圈地幔內(nèi)部的特殊地質(zhì)現(xiàn)象（圖3），因此對于理解大陸巖石圈的形成和演化具有重要意義。
該研究同時指出，這種大規(guī)模巖石圈浮合與增生過程不拘泥于巖石圈沉沒和再循環(huán)的形式，可以與早期的拆沉、對流侵蝕、凹沉（sagduction）、滴落（dripping）、俯沖等多種巖石圈沉沒方式配合，形成多種類型的沉沒—浮合旋回，進而產(chǎn)生復(fù)雜不均一性的重構(gòu)大陸巖石圈。因此，巖石圈的沉沒—浮合旋回并不受構(gòu)造體制的限制，既可以發(fā)生于前板塊構(gòu)造體制之下，又可以發(fā)生于板塊構(gòu)造體制之下。
本研究得到國家自然科學(xué)基金委項目和地質(zhì)過程國家重點實驗室自主課題聯(lián)合資助。
文章信息：Zhensheng Wang*, Fabio Capitanio, Zaicong Wang, and Timothy Kusky*. Accretion of the cratonic mantle lithosphere via massive regional relamination. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119 (39) e2201226119.https://doi.org/10.1073/pnas.2201226119