摘要：全球板塊邊界系統的形成是板塊構造出現的關鍵一步，數千公里的板塊邊界是如何在極短的地質時間內形成的，至今仍尚不清晰。為了判別俯衝起始和板塊邊界形成的驅動力，荷蘭科學家van Hinsbergen對105Ma左右印度和非洲板塊之間形成的一條長度超過12000km的板塊邊界進行了全面重建，分析得到：同時代上升的地幔柱是板塊旋轉唯一可能的觸發因素，厚的克拉通岩石圈在地幔柱誘發板塊旋轉進而觸發俯衝起始的過程中起著重要作用。作者認為地幔柱可能為板塊旋轉提供了一種非板塊構造機制，而在遠離地幔柱頭部的地方形成匯聚或發散板塊邊界，這一機制可能是現代板塊構造出現的根本原因。
隨著板塊邊界系統（擴張脊、轉換斷層和俯衝帶）的形成，地球早期板塊構造逐漸建立。一般而言，擴張脊和轉換斷層的形成是被動的過程，而俯衝帶的形成還尚不清晰。大陸、海洋高原或火山弧到達海溝時會引起板內應力變化，導致海洋岩石圈的重力坍塌或俯衝帶的變化，這一過程通常用來解釋俯衝起始。數值模擬研究認為地幔柱是區域俯衝起始的驅動力之一。但是，儘管這些過程能夠解釋區域尺度的板塊構造，但是無法解釋地質上短時（<10Myr）形成較長（>1000km）板塊邊界（包括新俯衝帶）的地球動力學原因。利用地質記錄研究板塊邊界形成的原因及其隨後的板塊俯衝起始需要確定以下幾點：1）確定板塊邊界的俯衝起始是自發的還是誘發的；2）如果是誘發，確定板塊匯聚早期的時間和方向，（3）重建整個板塊邊界，以識別碰撞、俯衝終止或地幔柱等因素可能導致驅動俯衝起始的應力變化。
上覆板片的SSZ蛇綠岩和變質底板（俯衝板片）是俯衝早期的地質證據（Agard et al., 2016），在新特提斯洋的多個SSZ蛇綠岩中，有一條SSZ蛇綠岩帶形成於白堊紀，其從東地中海地區沿阿拉伯北部延伸至巴基斯坦（圖1a中藍色線）。在阿曼和東地中海地區的變質底板中，透過Lu/Hf石榴石生長的年齡確定了變質底板的埋藏年代為～104Ma，即變質底板的形成。而透過岩漿鋯石U/Pb年齡和同變質底板40Ar–39Ar冷卻年齡確定了上覆板片伸展和SSZ蛇綠岩擴充套件的年代為96–95Ma（巴基斯坦、阿曼）至92–90Ma（伊朗、東地中海地區）。變質底板形成（板片埋藏）時間與上覆板片伸展（SSZ型蛇綠岩形成）8–14Ma的時間延遲，為誘發俯衝起始提供了直接的地質學證據。透過古地磁分析和東地中海地區、阿曼和巴基斯坦俯衝後起始變形的詳細運動學重建，該俯衝帶的板塊匯聚早期方向為E–W向。即～E–W向板塊的匯聚觸發了新特提斯洋105Ma俯衝起始。
為了找到導致這一俯衝的觸發因素，作者接下來進行了新特提斯洋及其周圍大陸的板塊運動學重建（圖1）。結果顯示：105Ma新特提斯洋俯衝帶內非洲和印度為相鄰板塊，非洲板塊大部分被山脊包圍，在地中海地區有一個複雜的俯衝板塊邊界。印度板塊南部和東部被山脊轉換系統包圍，北部被俯衝包圍。阿拉伯-大亞得里亞和歐亞大陸之間的新特提斯洋岩石圈繼續地向北傾斜俯衝，該俯衝帶自侏羅紀以來一直存在於歐亞大陸南部邊緣（圖1b、圖1c）。海洋地球物理約束顯示，在馬斯卡林盆地海洋擴張開始前約83Ma的裂谷作用期間，印度相對於非洲圍繞西印度洋尤拉極逆時針旋轉約4°（圖1c），這與跨越新特提斯的數百公里的東西向會聚有關（圖1d）。白堊紀內新特提斯板塊邊界可能已經收斂到西印度洋的Amirante海脊，並從該處變為伸展，並在馬斯卡林盆地中形成了一條裂谷，後來形成了一條擴張海脊，印度與馬達加斯加在該海脊處分離（圖1b）。
重建的～105Ma板塊邊界的形成沒有可行的板塊構造相關驅動力：歐亞南部存在許多古生代以來的俯衝帶增生的微大陸遺蹟，但其發生年代並非105Ma。地中海中部地區正在進行大陸俯衝和碰撞，但是沿著歐亞大陸南部E-W走向的俯衝動力學過程是否會導致新特提斯洋E-W向的會聚尚不清晰。在新特提斯洋東部，大洋內Woyla弧與Sundaland大陸邊緣發生碰撞，導致俯衝極性反轉，在Sundaland下方開始向東俯衝，該俯衝帶在印度洋/新特提斯洋西部板塊邊界形成的同時產生了板塊拉力（圖1c）。然而，Sundaland下方向東的板塊拉力無法驅動新特提斯洋的東西向會聚，板塊的伸展很可能是印度板塊旋轉的一種表現，而不是觸發因素。因此，該地區僅存的非板塊構造板塊運動驅動力——地幔柱可能發揮關鍵作用。印度-馬達加斯加大陸裂解被廣泛認為與在馬達加斯加和印度西南部～94Ma的莫隆達瓦大火成岩省（LIP）形成有關。在初始板塊邊界形成後～10Myr，該大火成岩省開始形成。
圖1 新特提斯洋及其周圍大陸的板塊運動學重建（Van Hinsbergen et al., 2021）
為研究地幔柱與大火成岩省、板塊邊界形成之間的關係，作者進行地幔柱-岩石圈相互作用的扭矩平衡模擬，對～105Ma時的印度和非洲板塊進行了半解析計算，並評估克拉通岩石圈對印度-非洲Euler極點位置的影響（圖2）。在沒有厚的克拉通岩石圈的實驗中，馬達加斯加/印度下方的地幔柱的推動導致印度相對於非洲的逆時針旋轉，但是尤拉極位於阿拉伯半島以北（圖2a），沒有引起新特提斯洋E-W向的匯聚。然而，在存在印度和非洲克拉通厚的岩石圈的實驗中，計算的Euler極點位置向南移向印度大陸，沿新特提斯洋大部分板塊邊界的E-W向匯聚（圖2b）。並且，如果地幔柱物質的注入和誘導流動都限制在一個200km厚的弱軟流圈層中，則可引發達數百千米的匯聚，這足以誘導自持續的俯衝。
圖2 在有/無克拉通龍骨情況下地幔柱-岩石圈相互作用扭矩平衡建模結果（Van Hinsbergen et al., 2021）
假設其他板塊邊界沒有摩擦阻力，從直徑為1000km、密度為30 kgm-3的地幔柱頭部獲得的上升力約為～1.5×1020N。如果該力的一半作用在印度板塊上，且槓桿臂為4000km，則對應於3×1026Nm的扭矩。該扭矩在匯聚邊界（長度約5000km，板厚約100km）處平衡，會產生240MPa的應力，遠大於俯衝和下覆板塊之間摩擦的阻力。地幔柱誘發的壓應力可能增加了先前存在的壓應力（特別是由於圍繞非洲和印度板塊產生的山脊推力），這種額外的壓應力可能有助於將尤拉柱進一步向南移動，更接近圖1中重建的位置。數值模型表明，在誘發匯聚50～100km以後，自持續俯衝就能開始，相當於約105Ma和～96–92Ma之間印度-非洲旋轉約1°。隨後的東傾和西傾俯衝段（圖1）可能促成並加速了印度-非洲/阿拉伯旋轉，推動了尤拉極向南傳播（圖2a、圖2c）。
此前的數值模擬實驗已經表明地幔柱可能觸發圍繞地幔柱頭部的環形俯衝起始（Gerya et al., 2015）。作者透過白堊紀>12000km板塊邊界的地質記錄，進行動力學重建為地幔柱在俯衝帶形成過程中的作用提供了首個證據，證明地幔柱上升是俯衝板塊邊界形成的關鍵驅動因素。地幔柱也是沒有板塊構造運動的行星（如火星和金星）的共同特徵，這為理解不同的行星演化提供了新的視角。
主要參考文獻 （上下滑動檢視）
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.（原文連結）
美編：陳菲菲
校對：張騰飛 姜雪蛟
