特提斯演化的关键动力学过程与驱动力

特提斯系统经历了漫长的演化历史,包含了多期次的威尔逊旋回,是研究板块构造与地球动力学的理想对象.特提斯演化的典型特征是一系列大陆块体从南方的冈瓦纳大陆裂解,而后向北漂移,最终与北方的劳亚大陆碰撞拼合.该过程中,多期次特提斯洋盆(原特提斯洋、古特提斯洋、新特提斯洋)的张开和关闭是核心要素.本文以大洋板块的生命周期为主线,将特提斯系统演化分解为大陆裂解、俯冲起始、洋脊俯冲、大陆碰撞等四个关键动力学过程,并系统分析了每个关键过程的控制因素和驱动力.(1)特提斯系统窄条形大陆地体的裂解可能受控于板块俯冲,尤其是俯冲板片的远端牵引作用;而块状印度大陆的裂解及印度洋的张开可能是地幔柱与远端俯冲板块共同作用的结果.(2)特提斯系统周期性的大陆地体碰撞拼合产生多期次的俯冲跃迁,是地体碰撞产生的反推力、洋脊推力及板下地幔流牵引力共同作用的结果,并且岩石圈的弱化是关键因素.(3)洋脊俯冲往往伴随着板片断离,该构造体制的转换可能需要地幔流牵引力的辅助,从而实现板块俯冲的延续性;而洋脊俯冲对上盘和下盘都会产生一定的动力学效应,其特征地质记录可用于反演洋脊俯冲历史.(4)青藏高原的巨大重力势能意味着持续至今的印藏碰撞需要洋中脊推力之外的驱动力,大尺度地幔流牵引力可能具有重要贡献;未来可能的北印度洋俯冲起始将释放汇聚应力而导致青藏高原垮塌.基于上述四个关键动力学过程及其驱动力的整合,我们提出了特提斯演化的“多引擎驱动”模型,即多期次特提斯大洋板块的北向俯冲提供了地体北漂的主要驱动力,但在地体碰撞拼合或洋脊俯冲等关键动力学节点上,俯冲板片断离导致板片拉力短缺,而洋脊推力和大尺度地幔流牵引力等可诱发新的板块俯冲起始,从而驱动特提斯系统的持续、单向裂解-聚合过程.

重力驱动的特提斯单向裂解-聚合动力学

地球自5亿年以来,大量陆块从南方的冈瓦纳大陆不断裂解,相继形成原、古、新特提斯大洋.这些陆块随后陆续漂向北方的劳亚大陆,并与之发生碰撞拼合,形成全球最显著的大陆碰撞造山带,又称特提斯构造域.对源自冈瓦纳陆块的漂移历史,目前已建立了较为清晰的框架性认识,但上述大陆单向裂解-聚合的驱动机制却是特提斯研究中极具争议的问题.通过重新审视特提斯构造域内陆块裂解-拼合历史、大洋俯冲起始的地质记录和全球大尺度深部地球物理特征发现,特提斯洋的大洋板片向欧亚大陆的俯冲是这些陆块运动的"引擎".大洋向欧亚大陆的持续俯冲作用,使得处于大洋另一侧的冈瓦纳大陆被动陆缘发生裂解,进而形成新的大洋.由于持续的俯冲作用,老的大洋不断消减并最终导致裂解的陆块与欧亚大陆碰撞,同时裂解的陆块和冈瓦纳大陆之间新的大洋不断扩张.碰撞以后,俯冲作用能够从碰撞带跃迁至大洋内部产生新的俯冲带,从而使得俯冲"引擎"得以持续运转.多期次的碰撞-俯冲-裂解的转换,使大陆块体周期性地从冈瓦纳裂解并陆续的向欧亚大陆汇聚拼合.俯冲向欧亚大陆之下的大洋板片如同一列单程列车,不断地把陆块从冈瓦纳运向欧亚大陆,使得冈瓦纳不断减小,欧亚大陆持续增大.由于这些大洋板块均属特提斯构造域,我们因此将其称之为"特提斯号"单程列车,而驱动列车单向运行的机制是俯冲板块的重力作用.

特提斯演化对地球环境演变的影响

对地球未来环境变化的准确预测应该建立在正确认识地球环境演变规律的基础之上,而地球固体圈层与表层圈层的耦合过程研究是获取上述规律认识的重要环节.本文重点探讨显生宙以来地球固体圈层演化与三次大冰期之间的关系,旨在厘清地球固体圈层变化影响环境演变的关键因素.地球自5亿年以来一个重要的特征是,主体处于南半球的冈瓦纳大陆通过不断的裂解、漂移,最终形成今天陆地主体处于北半球的洋陆格局,而原、古、新特提斯洋开启与关闭主导了这一陆块的南北大迁移.从冈瓦纳裂解的陆块聚集于低纬度区(南北纬20°之间)造成陆地面积明显增加时,恰好对应显生宙以来三次大冰期的降温时期.低纬度区是地球系统接受太阳能量密度最大的区域,但该地区大陆面积的增加会减少地表对能量的吸收,降低所吸收的能量向两极的传导与对流,从而导致全球表层温度降低.低纬度区由于日照充足,同时也是海洋浮游生物物种繁盛地,因而易形成富含有机质的沉积物.当大陆进入低纬度区时,大量生物残骸沉积在大陆边缘,为未来的成烃成藏创造了有利条件.在大洋关闭过程中,这些沉积物发生俯冲,降低了上盘岛弧地区岩浆的氧逸度,从而使特提斯域形成还原性岩浆热液矿产(钨、锡、锂等)资源特色.因此,在地球系统中,表层的板块运动通过改变洋陆格局和能量分配,使地球环境发生响应式改变,而这种改变又通过板块俯冲导致的物质循环使地表过程对深部构造产生重要影响.显然,特提斯是理解地球系统过程与变化的理想天然实验室.

新特提斯洋的打开时间和机制:雅江缝合带混杂岩的约束

新特提斯洋的长期演化至最终闭合是地球中生代以来最重要的地质事件之一,但目前对该大洋的完整演化历史尚缺乏有效约束,特别是大洋的打开时间存在二叠纪和三叠纪的主要争议,大洋的打开机制是否存在地幔柱效应.本文聚焦西藏南部雅鲁藏布江缝合带的混杂岩,通过厘定混杂岩中的基性岩岩块的形成时代和成因,约束雅江新特提斯洋的打开时间和潜在动力机制.野外地质特征指示雅江混杂岩具有分段性,即西段(仲巴以西)和东段(桑桑-仁布)为大洋板块地层岩石组合,代表新特提斯洋俯冲在亚洲大陆南缘形成的增生杂岩;中段(仲巴-萨嘎东)普遍具有泥砂质成分,为构造混杂至亚洲大陆南缘的特提斯喜马拉雅地层.根据本文地球化学研究和前人资料,雅江混杂岩中的基性岩岩块普遍具有洋岛玄武岩型地球化学特征,形成时代包括晚二叠世-中三叠世、中-晚侏罗世、早白垩世三期.本文在西段仲巴混杂岩中厘定了约253Ma的洋岛型玄武岩岩块,为目前雅江缝合带报道的与新特提斯洋演化相关的最古老洋岛型基性岩.地球化学特征指示,该玄武岩不同于典型的大洋板块内部洋岛玄武岩,可能形成于大陆岩石圈张裂至海底扩张初期.根据板块离散-汇聚耦合体系运行原理,结合前人报道的中三叠世早期海山、硅质岩和洋中脊玄武岩型洋壳,本文提出雅江新特提斯洋的打开应主要发生于早三叠世,不晚于中三叠世早期,即约250~243Ma;大洋的打开并无地幔柱的贡献.此外,在东段白朗混杂岩中识别出一系列约160Ma的洋岛型玄武岩,与前人在仲巴混杂岩中报道的洋岛型玄武岩应属同期事件.由于这些岩石多以岩席形式顺层产出于大洋地层中,可能属于大陆裂谷玄武岩,本文提出中-晚侏罗世洋岛型玄武岩应形成于冈瓦纳大陆北缘的一期大陆张裂过程,在混杂岩和喜马拉雅地层中均有响应,但其构造意义的探究尚需更多工作的支撑.以雅江混杂岩的研究为基础,结合前人有关雅江蛇绿岩、冈底斯弧岩浆岩和沉积岩的研究成果,本文重建了雅江新特提斯洋的完整威尔逊旋回,主要涉及大陆张裂-大洋打开、俯冲起始、超慢速洋脊-海沟转换和俯冲再起始、大洋闭合及印度-亚洲初始碰撞导致蛇绿岩构造侵位等关键节点,同时伴随冈底斯岩浆弧的爆发期和间歇期以及蛇绿岩的两次构造就位,从而为新特提斯洋雅江段的演化和特提斯地球动力学研究提供了关键依据.