夏威夷—皇帝海山链弯折的形成与Kronotsky古俯冲的联系

胡佳顺

南方科技大学 地球与空间科学系, 深圳518055

夏威夷—皇帝海山链是北太平洋一条自西北向东南延伸长达数千千米的火山岛链，其走向在47 Ma前发生了约60°的偏转，形成了著名的夏威夷—皇帝海山链弯折. 该弯折的形成机制牵扯到板块构造和地幔柱构造——两大地球科学基础理论，是地球动力学领域悬而未决的重要科学问题. 目前，学界存在两种主流观点：一种观点认为夏威夷地幔柱的位置相对固定，是太平洋板块运动突然转向导致了海山链的弯折（Morgan, 1972; Torsvik et al.,2017），另一种观点则认为太平洋板块运动相对稳定，是夏威夷热点在47 Ma 以前快速南向漂移以及在47 Ma之后相对固定导致了海山链的弯折（Tarduno et al., 2003; Hassan et al., 2016; Sun et al.,2021）.

对于夏威夷热点南向漂移假说，最关键的证据来自于古地磁研究. Tarduno等（2003）发现从约81 Ma到47 Ma，Detroit、Suiko、Nintoku和Koko海山的古纬度逐次减小，提出夏威夷热点以约3～5 cm/a的速度向南漂移. Hassan等（2016）则利用动力学数值模拟重现了夏威夷热点的南向漂移.然而，简单的运动学分析发现，热点南向漂移无法单独解释夏威夷—皇帝海山链弯折，太平洋板块运动转向仍是不可或缺的因素（Torsvik et al., 2017）.因此，约束太平洋板块运动转向的幅度，探讨转向的机制，是深入理解夏威夷—皇帝海山链弯折成因的必要条件.

太平洋板块运动在47 Ma的转向机制本身也是动力学研究的一个难题. 前人提出过诸多假说，包括伊豆—小笠原—马里亚纳（IBM）和汤加—克马德克的俯冲起始（Hall et al., 2003），伊邪那岐—太平洋洋中脊的俯冲（Whittaker et al., 2007），以及印度与欧亚大陆碰撞的远程效应（Patriat and Achache, 1984）等，但都没有经过定量化数值模型的验证. 这些假说多是基于传统的板块重构模型提出的. Hu等（2022）利用传统的板块重构模型（Müller et al., 2016）重建了古地幔的温度结构，并用高分辨率全球地幔对流模型预测了47 Ma前后的太平洋板块运动，发现伊豆—小笠原—马里亚纳和汤加—克马德克的俯冲起始、伊邪那岐—太平洋洋中脊的俯冲、以及印度与欧亚大陆的碰撞均不能导致太平洋板块运动发生显著偏转.

另一方面，研究发现北太平洋地区的板块演化历史可能比传统重构模型揭示的更加复杂.Kronotsky 和Olyutorsky 是勘察加半岛的两个增生岩 浆 弧 复 合 体（Konstantinovskaia, 2001）（图1a～c）. 古地磁研究发现它们在晚白垩世仍处于中纬度地区，距离现在位置数千千米远，之后不断向北漂移直到与勘察加半岛碰撞（Levashova et al.,2000）. 火成岩定年分析和构造地质研究发现，Kronotsky 和Olyutorsky的火山活动始于晚白垩世，终于始新世，与勘察加半岛的碰撞分别发生在晚中新世和始新世（Konstantinovskaia, 2001）. 这些证据表明北太平洋地区在晚白垩世到始新世时间段内曾发生洋内俯冲，而这些增生地块正是洋内俯冲产生的岛弧向北漂移，拼接到勘察加半岛形成的（Vaes et al., 2019）.

图1 （a～c）Hu等（2022)）重构的北太平洋板块演化模型，即Kronotsky俯冲模型；（d）基于不同板块重构模型用高分辨率全球地幔对流数值模拟预测的太平洋板块运动方位角随时间的变化；（e）动力学模型预测的夏威夷—皇帝海山链；IZG-PAC-ridge-SUB为传统板块重构模型（Müller et al., 2016）；Kronotsky SUB为Kronotsky俯冲模型（Hu et al., 2022）Fig. 1 The Kronotsky subduction model in North Pacific proposed by Hu et al. (2022) (a～c), the change of the azimuth of Pacific Plate motion with time predicted by high-resolution global mantle convection models based on different plate reconstructions(d) and the geodynamically predicted Hawaiian-Emperor Seamount Chain (e). IZG-PAC-ridge-SUB, the traditional plate reconstruction by Müller et al. (2016); Kronotsky SUB, the Kronotsky subduction model by Hu et al. (2022).

基于这些证据，Hu等（2022）重构了这一地区的板块演化历史，认为北太平洋地区有一个消失的古板块，即：Kronotsky板块. 47 Ma以前，太平洋板块在Kronotsky板块下的俯冲为太平洋板块的北向运动提供了动力. 而在47 Ma，该俯冲带的消失导致了北向驱动力的消失，引发了太平洋板块往西西北方向的偏转. 对于该俯冲带消失的原因，一个合理的猜测是夏威夷地幔柱柱头引起的海底高原的俯冲阻塞导致的. Hu等（2022）进一步用高分辨率动力学数值模拟计算了该模型下太平洋板块运动转向的幅度，发现太平洋板块偏转了约30°～35°（图1d）. 当结合前人得到的地幔柱漂移轨迹之后，计算得到的夏威夷—皇帝海山链的轨迹能较大程度拟合实际观测（图1e）. 据此，Hu等（2022）提出太平洋板块运动转向和夏威夷地幔柱南向漂移共同导致了夏威夷—皇帝海山链的弯折，且两者的贡献大致相同. 这为夏威夷—皇帝海山链弯折的形成机制提供了一个合理的解释. 目前，北太平洋地区的板块演化历史仍有较大不确定性. 寻找更多的证据，完善北太平洋及其周边区域的板块演化历史，评估不同板块演化模型对太平洋板块运动转向和夏威夷热点南移的影响，或是彻底解决夏威夷—皇帝海山链弯折机制的关键.