地震學揭示大陸如何實現幕式生長

楊旭松，田小波

1 中國科學院地質與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

2 中國科學院大學地球與行星學院，北京 100049

3 中國科學院地球科學研究院，北京 100029

大陸地殼作為與人類社會活動最為密切的地質單元，其成因和演化過程一直是地球科學領域最為關鍵的科學問題之一. 最早的大陸地殼在早太古代從地幔中分異產生，而隨后啟動的全球性的板塊構造運動極大地改變了其演化方式（Dhuime et al.,2015; Tang et al., 2016）. 在板塊構造體制下的俯沖帶是大陸形成和破壞的核心區域，在這里大陸地殼通過俯沖相關的巖漿活動產生，也通過海溝處沉積物的俯沖和對弧前大陸基地的侵蝕等方式被破壞.Clift 等（2009）對全球俯沖帶的情況進行了統計，發現全球處于一種收支平衡的狀態. 但是這種大陸地殼總量的收支平衡在地球歷史中并非總被保持.大量研究顯示，在不同的歷史時期存在著一些大陸地殼凈生長的高峰期，他們在時間上與超級大陸的形成時間有著良好的對應關系（Kemp et al., 2006;Cawood et al., 2013）. 因此，大陸地殼的生長也常常被描述為一個幕式的過程. 最近的研究表明大陸地殼的幕式生長過程可能是由于碰撞階段大陸地殼物質保存潛力更高，即大陸地殼破壞率更低所致（Hawkesworth et al., 2009; Mulder and Cawood,2022）. 但是這種保存潛力為何會得到提升卻一直沒有得到解釋.

增生造山帶是大陸凈生長的主要場所，其中中亞造山帶是新生宙以來最大的大陸增生區域（?eng?r et al., 1993; Jahn, 2004），對其地殼結構進行詳細研究可以揭露大陸生長的關鍵線索. Yang等（2022）利用近年來快速發展的短周期密集臺陣技術對中亞造山帶南緣的東準噶爾地區的地殼結構進行了研究，發現在東準噶爾地區存在著兩個向上拱起的莫霍片段（圖1）. 基于對中亞造山帶演化的研究積累能夠排除該“拱形”結構是后期造山或陸內改造作用的結果. 結合對準噶爾地區地磁異常的分析，Yang 等（2022）認為這兩個拱形莫霍片段為在古生代塊體拼合過程中保留下來的弧間海洋盆地的莫霍面（圖1）.

由于海洋盆地密度相對大陸地殼較大，因此洋盆通常被認為在塊體拼合過程中會俯沖至地幔，難以作為新生大陸的一部分. 但實際上發生拼合碰撞的塊體邊緣往往是不規則的，這就會導致在拼合的時候塊體之間存在一些空隙，為海洋盆地的保存提供了條件. Yang 等（2022）提出在東準噶爾地區的塊體拼合過程中，哈薩克斯坦山彎構造是一個馬蹄形的構造單元，它吸收了與北部圖瓦蒙古塊體和南部塔里木塊體碰撞過程中的主要應力，從而對其內部的多島海系統起到了保護作用（圖2）. 因此，古生代的海洋盆地得以廣泛地保存在準噶爾盆地內. 近年來，在西準噶爾地區開展的綜合地球物理工作所揭示的大量的殘留洋盆也支持該觀點（Wu et al., 2018; Liu et al., 2019; Xu et al., 2020）.

圖 1 Yang 等（2022）得到的東準噶爾地區地殼結構與地磁異常三維視圖. 正地磁異常標志著古生代島弧的位置；莫霍面片段1、3、5 代表島弧的莫霍面；莫霍面片段2、4、6 代表海洋盆地的莫霍Fig. 1 A 3D view of the deep structure and magnetic anomalies across Northern Xinjiang by Yang et al. (2022). Paleozoic island arcs are illustrated by positive magnetic anomaly strips; Moho fragments 1, 3, and 5 represent the moho of arcs, whereas fragments 2, 4, and 6 represent the moho of intra-arc basins

圖 2 Yang 等（2022）提出的哈薩克斯坦山彎構造對準噶爾地區海洋盆地保護作用示意圖. T 代表塔里木塊體；T-M 代表圖瓦—蒙古山彎構造，古亞洲洋俯沖回撤在其南緣形成了一個多島海系統；K 代表哈薩克斯坦山彎構造. 馬蹄形的哈薩克斯坦山彎構造在與塔里木塊體和圖瓦蒙古山彎構造碰撞過程中吸收了大部分的應力，因此其內部的多島海系統受其保護得以保存下來Fig. 2 Tectonic model of trapped oceanic basins protected by the Kazakhstan orocline during multiple amalgamations by Yang et al.(2022). T: Tarim craton; T-M: Tuva-Mongol Orocline, which contains an archipelago system on its southern side, generated by subduction retreat of the Paleo-Asian Ocean slab; K: Kazakhstan orocline. The Kazakhstan orocline is a huge U-shaped structure that bore the main stress of the collision and protected the inside archipelago

于此同時，Yang 等（2022）還表示在碰撞過程中海洋盆地被大量保存意味著發生了更少的俯沖侵蝕作用，且最近的研究還表明殘留的海洋盆地可以在隨后的演化過程中轉換為大陸地殼（Morgan and Vannucchi, 2022）. 因此，如果大量的海洋盆地在超級大陸形成過程中被捕獲，就會導致大陸地殼的大規模生長. 考慮到類似哈薩克斯坦山彎構造的不規則塊體并不罕見（比如現今的東南亞及西南太平洋地區存在大量的山彎構造），且殘留洋盆在不同構造背景的造山帶中均有發現（Norris and Craw,1987; Bradshaw, 1989; Gray et al., 2006; Foster et al.,2014），因此這種大陸生長的模式應具有很高的普適性. 最近的研究表明全球聯動的板塊構造至少在20 億年前就已經啟動（Wan et al., 2020），因此殘留洋盆在20 億年以來的大陸生長過程中都可能起到了重要的作用.

有關該生長模式的最大挑戰在于為何在全球的地質填圖過程中并未發現大量海洋盆地的存在. 一個合理的猜測是殘留洋盆往往被巨厚的沉積層所覆蓋而很少暴露在地表，而常規的地球物理學成像手段難以有足夠的分辨率將其識別. 而即使其后期發生部分熔融也很難從地球化學成份上進行識別.Foster 等（2014）通過對幾個典型殘留洋盆地區進行研究分析提出可以根據大規模濁積巖的結構和變質模式來作為殘留洋盆的一個識別標志. 同時，近來流行的短周期密集臺陣技術大大提高了地殼結構成像的分辨率，這為將來識別此類殘留洋盆提供了一個極具成本效益的方案.

致謝

感謝編輯部的約稿以及出版過程中的大力幫助.