摘要：全球板块边界系统的形成是板块构造出现的关键一步，数千公里的板块边界是如何在极短的地质时间内形成的，至今仍尚不清晰。为了判别俯冲起始和板块边界形成的驱动力，荷兰科学家van Hinsbergen对105Ma左右印度和非洲板块之间形成的一条长度超过12000km的板块边界进行了全面重建，分析得到：同时代上升的地幔柱是板块旋转唯一可能的触发因素，厚的克拉通岩石圈在地幔柱诱发板块旋转进而触发俯冲起始的过程中起着重要作用。作者认为地幔柱可能为板块旋转提供了一种非板块构造机制，而在远离地幔柱头部的地方形成汇聚或发散板块边界，这一机制可能是现代板块构造出现的根本原因。
随着板块边界系统（扩张脊、转换断层和俯冲带）的形成，地球早期板块构造逐渐建立。一般而言，扩张脊和转换断层的形成是被动的过程，而俯冲带的形成还尚不清晰。大陆、海洋高原或火山弧到达海沟时会引起板内应力变化，导致海洋岩石圈的重力坍塌或俯冲带的变化，这一过程通常用来解释俯冲起始。数值模拟研究认为地幔柱是区域俯冲起始的驱动力之一。但是，尽管这些过程能够解释区域尺度的板块构造，但是无法解释地质上短时（1000km）板块边界（包括新俯冲带）的地球动力学原因。利用地质记录研究板块边界形成的原因及其随后的板块俯冲起始需要确定以下几点：1）确定板块边界的俯冲起始是自发的还是诱发的；2）如果是诱发，确定板块汇聚早期的时间和方向，（3）重建整个板块边界，以识别碰撞、俯冲终止或地幔柱等因素可能导致驱动俯冲起始的应力变化。
上覆板片的SSZ蛇绿岩和变质底板（俯冲板片）是俯冲早期的地质证据（Agard et al., 2016），在新特提斯洋的多个SSZ蛇绿岩中，有一条SSZ蛇绿岩带形成于白垩纪，其从东地中海地区沿阿拉伯北部延伸至巴基斯坦（图1a中蓝色线）。在阿曼和东地中海地区的变质底板中，通过Lu/Hf石榴石生长的年龄确定了变质底板的埋藏年代为～104Ma，即变质底板的形成。而通过岩浆锆石U/Pb年龄和同变质底板40Ar–39Ar冷却年龄确定了上覆板片伸展和SSZ蛇绿岩扩展的年代为96–95Ma（巴基斯坦、阿曼）至92–90Ma（伊朗、东地中海地区）。变质底板形成（板片埋藏）时间与上覆板片伸展（SSZ型蛇绿岩形成）8–14Ma的时间延迟，为诱发俯冲起始提供了直接的地质学证据。通过古地磁分析和东地中海地区、阿曼和巴基斯坦俯冲后起始变形的详细运动学重建，该俯冲带的板块汇聚早期方向为E–W向。即～E–W向板块的汇聚触发了新特提斯洋105Ma俯冲起始。
为了找到导致这一俯冲的触发因素，作者接下来进行了新特提斯洋及其周围大陆的板块运动学重建（图1）。结果显示：105Ma新特提斯洋俯冲带内非洲和印度为相邻板块，非洲板块大部分被山脊包围，在地中海地区有一个复杂的俯冲板块边界。印度板块南部和东部被山脊转换系统包围，北部被俯冲包围。阿拉伯-大亚得里亚和欧亚大陆之间的新特提斯洋岩石圈继续地向北倾斜俯冲，该俯冲带自侏罗纪以来一直存在于欧亚大陆南部边缘（图1b、图1c）。海洋地球物理约束显示，在马斯卡林盆地海洋扩张开始前约83Ma的裂谷作用期间，印度相对于非洲围绕西印度洋欧拉极逆时针旋转约4°（图1c），这与跨越新特提斯的数百公里的东西向会聚有关（图1d）。白垩纪内新特提斯板块边界可能已经收敛到西印度洋的Amirante海脊，并从该处变为伸展，并在马斯卡林盆地中形成了一条裂谷，后来形成了一条扩张海脊，印度与马达加斯加在该海脊处分离（图1b）。
重建的～105Ma板块边界的形成没有可行的板块构造相关驱动力：欧亚南部存在许多古生代以来的俯冲带增生的微大陆遗迹，但其发生年代并非105Ma。地中海中部地区正在进行大陆俯冲和碰撞，但是沿着欧亚大陆南部E-W走向的俯冲动力学过程是否会导致新特提斯洋E-W向的会聚尚不清晰。在新特提斯洋东部，大洋内Woyla弧与Sundaland大陆边缘发生碰撞，导致俯冲极性反转，在Sundaland下方开始向东俯冲，该俯冲带在印度洋/新特提斯洋西部板块边界形成的同时产生了板块拉力（图1c）。然而，Sundaland下方向东的板块拉力无法驱动新特提斯洋的东西向会聚，板块的伸展很可能是印度板块旋转的一种表现，而不是触发因素。因此，该地区仅存的非板块构造板块运动驱动力——地幔柱可能发挥关键作用。印度-马达加斯加大陆裂解被广泛认为与在马达加斯加和印度西南部～94Ma的莫隆达瓦大火成岩省（LIP）形成有关。在初始板块边界形成后～10Myr，该大火成岩省开始形成。
图1 新特提斯洋及其周围大陆的板块运动学重建（Van Hinsbergen et al., 2021）
为研究地幔柱与大火成岩省、板块边界形成之间的关系，作者进行地幔柱-岩石圈相互作用的扭矩平衡模拟，对～105Ma时的印度和非洲板块进行了半解析计算，并评估克拉通岩石圈对印度-非洲Euler极点位置的影响（图2）。在没有厚的克拉通岩石圈的实验中，马达加斯加/印度下方的地幔柱的推动导致印度相对于非洲的逆时针旋转，但是欧拉极位于阿拉伯半岛以北（图2a），没有引起新特提斯洋E-W向的汇聚。然而，在存在印度和非洲克拉通厚的岩石圈的实验中，计算的Euler极点位置向南移向印度大陆，沿新特提斯洋大部分板块边界的E-W向汇聚（图2b）。并且，如果地幔柱物质的注入和诱导流动都限制在一个200km厚的弱软流圈层中，则可引发达数百千米的汇聚，这足以诱导自持续的俯冲。
图2 在有/无克拉通龙骨情况下地幔柱-岩石圈相互作用扭矩平衡建模结果（Van Hinsbergen et al., 2021）
假设其他板块边界没有摩擦阻力，从直径为1000km、密度为30 kgm-3的地幔柱头部获得的上升力约为～1.5×1020N。如果该力的一半作用在印度板块上，且杠杆臂为4000km，则对应于3×1026Nm的扭矩。该扭矩在汇聚边界（长度约5000km，板厚约100km）处平衡，会产生240MPa的应力，远大于俯冲和下覆板块之间摩擦的阻力。地幔柱诱发的压应力可能增加了先前存在的压应力（特别是由于围绕非洲和印度板块产生的山脊推力），这种额外的压应力可能有助于将欧拉柱进一步向南移动，更接近图1中重建的位置。数值模型表明，在诱发汇聚50～100km以后，自持续俯冲就能开始，相当于约105Ma和～96–92Ma之间印度-非洲旋转约1°。随后的东倾和西倾俯冲段（图1）可能促成并加速了印度-非洲/阿拉伯旋转，推动了欧拉极向南传播（图2a、图2c）。
此前的数值模拟实验已经表明地幔柱可能触发围绕地幔柱头部的环形俯冲起始（Gerya et al., 2015）。作者通过白垩纪>12000km板块边界的地质记录，进行动力学重建为地幔柱在俯冲带形成过程中的作用提供了首个证据，证明地幔柱上升是俯冲板块边界形成的关键驱动因素。地幔柱也是没有板块构造运动的行星（如火星和金星）的共同特征，这为理解不同的行星演化提供了新的视角。
主要参考文献 （上下滑动查看）
Agard P, Yamato P, Soret M, et al. Plate interface rheological switches during subduction infancy: Control on slab penetration and metamorphic sole formation[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 451: 208-220.
Arculus R J, Ishizuka O, Bogus K A, et al. A record of spontaneous subduction initiation in the Izu–Bonin–Mariana arc[J]. Nature Geoscience, 2015, 8(9): 728-733.
Gerya T V, Stern R J, Baes M, et al. Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation[J]. Nature, 2015, 527(7577): 221-225.
Stern R J. Subduction initiation: Spontaneous and induced[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 226(3-4): 275-292.
Van Hinsbergen D J J, Peters K, Maffione M, et al. Dynamics of intraoceanic subduction initiation: 2. Suprasubduction zone ophiolite formation and metamorphic sole exhumation in context of absolute plate motions[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2015, 16(6): 1771-1785.
Van Hinsbergen D J J, Steinberger B, Guilmette C, et al. A record of plume-induced plate rotation triggering subduction initiation[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(8): 626-630.（原文链接）
美编：陈菲菲
校对：张腾飞 姜雪蛟