地震学揭示大陆如何实现幕式生长

杨旭松，田小波

1 中国科学院地质与地球物理研究所 岩石圈演化国家重点实验室，北京 100029

2 中国科学院大学地球与行星学院，北京 100049

3 中国科学院地球科学研究院，北京 100029

大陆地壳作为与人类社会活动最为密切的地质单元，其成因和演化过程一直是地球科学领域最为关键的科学问题之一. 最早的大陆地壳在早太古代从地幔中分异产生，而随后启动的全球性的板块构造运动极大地改变了其演化方式（Dhuime et al.,2015; Tang et al., 2016）. 在板块构造体制下的俯冲带是大陆形成和破坏的核心区域，在这里大陆地壳通过俯冲相关的岩浆活动产生，也通过海沟处沉积物的俯冲和对弧前大陆基地的侵蚀等方式被破坏.Clift 等（2009）对全球俯冲带的情况进行了统计，发现全球处于一种收支平衡的状态. 但是这种大陆地壳总量的收支平衡在地球历史中并非总被保持.大量研究显示，在不同的历史时期存在着一些大陆地壳净生长的高峰期，他们在时间上与超级大陆的形成时间有着良好的对应关系（Kemp et al., 2006;Cawood et al., 2013）. 因此，大陆地壳的生长也常常被描述为一个幕式的过程. 最近的研究表明大陆地壳的幕式生长过程可能是由于碰撞阶段大陆地壳物质保存潜力更高，即大陆地壳破坏率更低所致（Hawkesworth et al., 2009; Mulder and Cawood,2022）. 但是这种保存潜力为何会得到提升却一直没有得到解释.

增生造山带是大陆净生长的主要场所，其中中亚造山带是新生宙以来最大的大陆增生区域（Şengör et al., 1993; Jahn, 2004），对其地壳结构进行详细研究可以揭露大陆生长的关键线索. Yang等（2022）利用近年来快速发展的短周期密集台阵技术对中亚造山带南缘的东准噶尔地区的地壳结构进行了研究，发现在东准噶尔地区存在着两个向上拱起的莫霍片段（图1）. 基于对中亚造山带演化的研究积累能够排除该“拱形”结构是后期造山或陆内改造作用的结果. 结合对准噶尔地区地磁异常的分析，Yang 等（2022）认为这两个拱形莫霍片段为在古生代块体拼合过程中保留下来的弧间海洋盆地的莫霍面（图1）.

由于海洋盆地密度相对大陆地壳较大，因此洋盆通常被认为在块体拼合过程中会俯冲至地幔，难以作为新生大陆的一部分. 但实际上发生拼合碰撞的块体边缘往往是不规则的，这就会导致在拼合的时候块体之间存在一些空隙，为海洋盆地的保存提供了条件. Yang 等（2022）提出在东准噶尔地区的块体拼合过程中，哈萨克斯坦山弯构造是一个马蹄形的构造单元，它吸收了与北部图瓦蒙古块体和南部塔里木块体碰撞过程中的主要应力，从而对其内部的多岛海系统起到了保护作用（图2）. 因此，古生代的海洋盆地得以广泛地保存在准噶尔盆地内. 近年来，在西准噶尔地区开展的综合地球物理工作所揭示的大量的残留洋盆也支持该观点（Wu et al., 2018; Liu et al., 2019; Xu et al., 2020）.

图 1 Yang 等（2022）得到的东准噶尔地区地壳结构与地磁异常三维视图. 正地磁异常标志着古生代岛弧的位置；莫霍面片段1、3、5 代表岛弧的莫霍面；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

图 2 Yang 等（2022）提出的哈萨克斯坦山弯构造对准噶尔地区海洋盆地保护作用示意图. T 代表塔里木块体；T-M 代表图瓦—蒙古山弯构造，古亚洲洋俯冲回撤在其南缘形成了一个多岛海系统；K 代表哈萨克斯坦山弯构造. 马蹄形的哈萨克斯坦山弯构造在与塔里木块体和图瓦蒙古山弯构造碰撞过程中吸收了大部分的应力，因此其内部的多岛海系统受其保护得以保存下来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

于此同时，Yang 等（2022）还表示在碰撞过程中海洋盆地被大量保存意味着发生了更少的俯冲侵蚀作用，且最近的研究还表明残留的海洋盆地可以在随后的演化过程中转换为大陆地壳（Morgan and Vannucchi, 2022）. 因此，如果大量的海洋盆地在超级大陆形成过程中被捕获，就会导致大陆地壳的大规模生长. 考虑到类似哈萨克斯坦山弯构造的不规则块体并不罕见（比如现今的东南亚及西南太平洋地区存在大量的山弯构造），且残留洋盆在不同构造背景的造山带中均有发现（Norris and Craw,1987; Bradshaw, 1989; Gray et al., 2006; Foster et al.,2014），因此这种大陆生长的模式应具有很高的普适性. 最近的研究表明全球联动的板块构造至少在20 亿年前就已经启动（Wan et al., 2020），因此残留洋盆在20 亿年以来的大陆生长过程中都可能起到了重要的作用.

有关该生长模式的最大挑战在于为何在全球的地质填图过程中并未发现大量海洋盆地的存在. 一个合理的猜测是残留洋盆往往被巨厚的沉积层所覆盖而很少暴露在地表，而常规的地球物理学成像手段难以有足够的分辨率将其识别. 而即使其后期发生部分熔融也很难从地球化学成份上进行识别.Foster 等（2014）通过对几个典型残留洋盆地区进行研究分析提出可以根据大规模浊积岩的结构和变质模式来作为残留洋盆的一个识别标志. 同时，近来流行的短周期密集台阵技术大大提高了地壳结构成像的分辨率，这为将来识别此类残留洋盆提供了一个极具成本效益的方案.

致谢

感谢编辑部的约稿以及出版过程中的大力帮助.