陆缘裂解与超大陆裂解成因
陆缘裂解与超大陆裂解成因
梁光河
1 大陆裂解存在的问题
在地球演化到某一阶段，所有大陆板块会汇聚到一起，拼接成一个巨型大陆，这就是超大陆。超大陆拼合形成之后，会发生裂解，再度分裂成若干板块。在漫长的地质年代里，目前被地质学家广泛接受的超大陆有三个（图1），分别是在18亿年前形成的哥伦比亚Columbia（Nuna）超大陆、在10亿年前形成的罗迪尼亚Rodinia超大陆和2.5亿年前形成的盘古Pangea超大陆。它们形成之后为什么会裂解？传统的解释是地幔柱，从下往上冒出的地幔柱使它分离开来，但证据并不充分，比如在猜想的地幔柱头区域没有发现大面积出露地幔柱特有的高温岩石-苦橄岩或科马提岩。因此地幔柱假说仅仅是一个猜想，没有地质实证支持。当然也缺乏地球物理证据支持。
图1 地质历史上的三个超大陆复原图（据赵国春，2017）
现代大地构造最重要的两个假说是海底扩张和板块构造假说，它们起源于对盘古超大陆裂解的解释，主要是大西洋的形成过程的解释，它们对大西洋的裂解过程的解释似乎很完美，但难以解释大西洋上和洋中脊上的诸多大陆残片。
更让海底扩张和板块构造难以解释的是，从古生代至今，诸多类似印度次大陆这样的较小板块是如何从南部的冈瓦纳大陆不断裂解出来的，其成因机制是什么？又是什么动力机制使其不断北漂？然后拼贴在欧亚大陆上。用大西洋裂解模式解释显然不符合逻辑和事实。
另外大陆漂移过程中普遍存在陆缘裂解，其成因机制是什么？传统的板块构造用弧后扩张甚至板片回撤来解释，但仍存在动力机制方面的问题。其实板块构造最大的问题是把大陆板块和大洋板块划为一个整体板块，这是不对的，因为二者在物质组成、厚度、成因机制和形成年龄都差异巨大。应该把大陆板块和大洋板块分开才符合事实。
2 陆缘裂解与大陆漂移
新大陆漂移模型认为大陆板块能够在热力驱动下自己发生漂移，类似平底热锅上的奶油自己会跑。这个推动大陆板块运动的动力最初来源于大陆裂解中的地幔上涌，在大陆板块后部的莫霍面造斜（图2和3），因重力作用使板块产生重力滑脱而移动，已经移动的板块造成后部低压诱发下面地幔熔融进一步上涌，上涌的地幔再进一步造斜从而推动板块进一步移动，这是一个连锁的造斜和重力滑脱过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移。大陆板块之所以能够克服巨大阻力向前滑移，很重要的一个原因是大陆板块迎冲在大洋板块上，很多含水矿物进入俯冲带，无论陆壳还是洋壳在含水情况下熔融温度下降数百度，因此俯冲进入下地壳区域就会发生部分熔融，形成软弱带，大陆漂移类似大陆板块不断陷入软泥的过程。大陆板块后面不断减压熔融上涌抬升，形成斜波；大陆前面俯冲带持续带入含水矿物，持续形成软弱区域，使得大陆漂移过程能够连续进行。这个过程的本质是热能转换为重力推动大陆板块发生水平漂移，也是地球宏观上的散热过程。
图2 新大陆漂移动力机制简化示意图
图3 新大陆漂移模型示意图（梁光河，2018）
从新大陆漂移模式图可以看出，大陆板块是和大洋板块分离的，它漂浮在上地幔上。大陆板块有两个薄弱带，分别是图4中的A和B两个区域，它们都是以深断裂特征分别位于大陆板块的前部和后部。大陆漂移过程中洋壳俯冲，发生部分熔融，洋壳陆壳混溶形成地壳流，地壳流在造山带薄弱区域上涌，产生一个薄弱带A。传统的板块构造认为是由于俯冲带带入大量含水矿物，造成部分熔融岩浆上涌。或者解释为在大陆漂移过程中与大洋板块发生碰撞，形成造山带。无论怎样解释，在这个区域通常会在造山后10-100Ma出现岩浆上涌，上涌的结果，就可能使得前部区域与大陆板块主体裂解分离，分离出的地块如果足够大，就会形成微板块自动发生漂移，形成岛弧带。而大陆板块后面，由于整体是一个拉伸环境，在被动大陆边缘的深大断裂区域也是一个构造薄弱带，在大陆漂移过程中，部分区域可能会裂解脱离大陆板块主体，造成裂解形成大陆残片或微板块。如果大陆残片厚度太小，就不会自动漂移；如果大陆残片厚度和尺度比较大（比如大于20Km），就可以自发漂移。
图4 大陆漂移过程中的裂解过程示意图，a是大陆漂移裂解前，b是大陆板块裂解后。
也就是说在大陆漂移过程中，较大的大陆板块前部和后部都有可能发生微陆块的裂解和漂移。这在全球很多较大板块漂移过程中都能得到体现，比如欧亚大陆的东漂形成了陆缘裂解，包括中国南海的裂解、东海的裂解以及西北太平洋上很多微陆块的裂解漂移，其中海南岛、日本、勘察加等等都是裂解漂移出去的陆块。而大陆板块漂移后形成的大陆残片在大西洋上也很多，在印度洋上也存在不少。斯里兰卡也是印度大陆板块漂移过程中从其尾部裂解出来的块体。
其实，新的大陆漂移模型和板块构造对这一现象的解释是一致的。板块构造把这个裂解过程解释为弧后伸展和弧后盆地的形成过程。但在裂解距离更大甚至裂解出洋壳的情况下，板块构造难以合理解释，因此板块构造又补充提出俯冲带后撤模式，用于解释岛弧裂解漂移更远的情况。
事实上，较大的大陆板块在漂移过程中在其前缘都会裂解，裂解出来的微陆块会自动发生漂移，形成岛弧带（图5），如北美洲和南美洲大陆板块在100-40Ma时期都发生过陆缘裂解，形成岛弧；欧亚东缘和澳大利亚北缘在新生代都发生了大规模的陆缘裂解，形成了微陆块以及微陆块的漂移，这些漂移形成的尾迹清晰可见，其实包括新西兰等岛屿都是从澳大利亚东北部裂解之后漂移出去的；非洲大陆在漂移过程中也发生过陆缘的裂解和陆块漂移，比如马达加斯加和伊朗地体等都是100-40Ma从非洲大陆板块裂解漂移出去的，而目前的东非大裂谷是另外一个裂解过程。而岛弧带也是裂解后的较大块体漂移过程中形成的火山岩和大陆碎片组成的。
图5 大陆漂移过程中各个大板块发生的陆缘裂解示意图
3 超大陆裂解与新大陆漂移
在陆缘裂解过程中我们假定大陆板块成分是单一的，其实不然，大多数较大大陆板块是由多个陆块拼合形成的一个集合体。那么在其中间必然存在天然的薄弱带，那就是其陆块拼合带，也往往是古造山带。
我们知道巨型大陆板块或超大陆板块都是由多个陆块在不同时期拼贴而成，它们包括克拉通陆核和古造山带，古造山带往往是拼贴带也是薄弱带，在大陆漂移过程中，也会发生裂解（图6），这个裂解过程和传统的大陆板块漂移过程中的成因机制类似。其区别在于普通的大陆板块跑漂移过程中的裂解把大陆板块视为一个均匀的陆块，在造山带区域发生洋壳俯冲，形成部分熔融的地壳流上涌，进而产生伸展构造，在造山带区域发生陆块裂离，裂离后的陆块自己产生动力漂移出去。而超大陆裂离是由于超大陆本身的组成块体中强度不均一，超大陆漂移过程中的地壳流上涌主要集中在薄弱的古造山带（古陆块拼贴带），从而使得陆块1发生裂离，并漂移出去。图中a代表超大陆裂解前的状态，b代表超大陆裂解后的状态。
这个超大陆裂解机制，也可以用传统的板块构造中的概念来理解，那就是在超大陆板块漂移过程中发生洋壳平俯冲，在古造山带区域减压诱发部分熔融上涌形成伸展构造，进而发展为超大陆板块的裂解。
这个模式也能找到实例，典型代表是古冈瓦纳的裂解过程，冈瓦纳大陆板块在南北晃动漂移中，持续从其边缘裂解出不同规模大小的板块，它们独自向北漂移出去，拼贴在劳亚大陆（欧亚）上。
在这个模式图b中，如果中间断裂区域下方地幔上涌形成的两个方向推力足够大，特别是向左的推力大于整个板块后面的推力情况下，就会使得陆块2和3改变漂移方向，向左漂移，这种情况下就是大西洋裂解模式。这说明，一个新的大陆漂移模式，能够把大西洋裂解模式和冈瓦纳裂解模式统一在一起，它们具有相同或相似的成因机制。
盘古超大陆的裂解机制也可以用这个模式进行合理解释，而不需要地幔柱。
图6巨型大陆裂解过程示意图，a是超大陆裂解前，b是超大陆裂解后。
盘古超大陆裂解过程首先从中间东西方向开裂，时间大约为200Ma，形成北部的劳亚古陆和南部的冈瓦纳古陆。从图7的动画示意图中，可以看出冈瓦纳古陆首先向北漂移，漂移过程中伴随微弱左旋，之后发生大规模裂解，这个裂解过程中既有前部的裂解，也有后部的裂解，从而分裂出包括南美洲、非洲、印度、澳大利亚和南极洲等的大陆板块，还包括不计其数的碎小微板块。它们各自发生漂移，形成了目的的地质格局。
图7 冈瓦纳大陆裂解过程示意图（据星球研究所）
4 讨论和结论
新大陆漂移模型可以合理解释较大板块漂移过程中的陆缘裂解，也能合理解释超大陆裂解成因机制，更重要的是它为大陆漂移提供了一个全新的动力机制。这个模式不需要地幔柱。
但存在的问题是，超大陆裂解后，为什么又会重新聚集在一起？是什么力量起主导作用，推测应该与太阳系在银河系中的运行过程中，随时间变化不同星群对太阳系的引力变化所致。新大陆漂移模型认为所有的大陆板块会自带螺旋桨在地球表层的上地幔上滑来滑去，地球在宇宙空间中运动过程中，不同方向受到的吸引力肯定是变化的，一旦一个方向存在较大吸引力，则所有大陆板块就会宏观上向那个方向滑动聚集。
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