自然:克拉通岩石圈地幔的成因模式

克拉通是地球上一个古老而稳定的大陆块体。克拉通的岩石圈地幔是钻石的宝库，形成于25亿年前的太古代和1.6-25亿年前的元古代(Peslier等，201；李等人，2011).克拉通型岩石圈地幔具有明显的特征:厚度巨大(可达300km)、密度低、玄武质成分亏损、耐火度高、低温梯度低(Lee et al .，2011)，岩石圈地幔越老，密度越低，这是由于其特殊的化学成分。

古克拉通岩石圈地幔形成于地球演化早期壳幔分异事件之后。它们是原地幔(主要由可熔二辉橄榄岩组成)部分高度熔融并提取出大量玄武质熔体后残留的耐火成分(主要为耐火辉长岩)。因此，古克拉通岩石圈地幔具有明显的富镁、贫铁、高耐火的成分特征。玄武质熔体被大量提取后，古克拉通的岩石圈地幔密度小于下伏的软流圈，因此可以像船一样长时间“漂浮”在软流圈上。克拉通的岩石圈地幔具有机械阻力(Arndt et al .，2009)，可以防止地幔对流造成的破坏，因此可以长期存在。

古代克拉通的岩石圈地幔是如何形成的？尽管科学家们在这个问题上做了大量的研究，但对克拉通内岩石圈地幔成因的认识仍存在明显的分歧。分歧的焦点主要是两种不同的学术观点:融化模式和堆积模式。

第一种观点(熔融模式)认为，克拉通的岩石圈地幔是由地幔物质底辟上升、地幔反转或地幔柱上升，地幔过渡带的物质和高熔融程度形成的(Boyd，1989；Stein和Hofmann，1994)，因此它们代表高度亏损的玄武质熔体，相对干燥和低密度的熔融残余物。这个模型很容易被大家接受，因为它可以合理地揭示很多观测到的现象，比如岩石圈地幔的低密度(高熔融的结果)和浮力(Boyd，1989；Stein和Hofmann，1994)，岩石圈厚度与年龄呈正相关，无水地幔橄榄岩捕虏体的发现表明岩石圈地幔具有足够的粘度，不受下伏软流圈的影响(Peslier等，2010)。根据这一模型，可以预言，由于减压熔融过程中上地幔物质的熔融程度较高，地幔熔融柱顶部的密度应相对较低，岩石圈地幔底部的密度应相对较高。而熔融模型预测的岩石圈地幔化学分层与其他学者的观测数据和工作模型预测的结果有较大差异(Lee et al .，2011)。

关于克拉通岩石圈地幔成因的第二种学术观点(堆积模式)认为，古克拉通岩石圈地幔最初是由俯冲洋壳及其最初形成于大洋中脊上的亏损地幔叠加堆积而成(Helmstedt和Schulze，1989；比尔等人，2018).该模型还成功地解释了一些地质现象，如岩石圈地幔的巨大厚度、岩石圈地幔中玄武质熔体相对于海洋岩石圈的亏损、克拉通地区金伯利岩中榴辉岩捕虏体的地球化学特征等。然而，该聚集模式也存在一些问题，例如，难以解释海洋岩石圈中相对大量的古洋壳物质与金伯利岩地幔捕虏体中相对罕见的榴辉岩捕虏体之间的不一致(Arndt et al .，2009；李等人，2011).此外，由于古俯冲板块含有相当厚度的洋壳，可能受到板块断裂和(或)板块退缩的影响，从而不能发生多次堆积(Perchuk et al .，2019)。

为了解决上述有争议的科学问题，提出了新的替代模型——热-力学模型(Sizova et al .，2010；Perchuk等人，2019)，最近又有了进一步的发展。最近，Perchuk等人(2020)在Nature上发表了一篇论文，建立了二维高分辨率的岩浆-热-力学模型。他们通过模拟研究发现，太古宙板块构造开始后，俯冲洋板块下浮力和韧性为正、亏损玄武质熔体的热地幔层在俯冲过程中无法与洋板块同步俯冲(图1)之后，随着地温梯度的降低，侵入大陆下的高粘度亏损地幔层也冷却下来，与大陆融合成为古克拉通的岩石圈地幔。根据大陆岩石圈地幔的厚度估算，表明该模型所展示的动力学机制在古克拉通岩石圈的主要形成时期是有效的。因此，前寒武纪地幔层高度亏损的大洋板块的俯冲是陆下超厚岩石圈地幔形成的先决条件。由于超厚岩石圈地幔的存在，古克拉通在随后的板块构造过程中得以长期保存。这项研究为第二种观点提供了新的证据:古克拉通的岩石圈地幔是由早期大洋板块俯冲引起的板块堆积形成的。

主要参考文献

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校对:张腾飞