国际知名地学期刊Geology以《Modification of Archean cratons in southern Africa with foundered segments dropped into the shallow lower mantle》为题发表了我室博士生席家骥关于板内岩石圈演化的最新研究成果。
占大陆面积60%以上的克拉通是大陆块体最坚固稳定的构造单元。诸多地学证据表明，克拉通岩石圈在地球演化过程中会发生改造和破坏，特别是在俯冲的汇聚构造背景下。大洋板块的俯冲、回撤以及在地幔转换带中的滞留所带来的系列构造响应常被认为可诱导克拉通岩石圈破坏，例如我国华北与北美西部克拉通地区。克拉通岩石圈的改造过程对大陆地形抬升、金属与钻石矿形成等都发挥重要作用。相反，在远离俯冲带的离散构造背景下发育的板内克拉通是否会受到改造或破坏作用，是仍待深入研究的重要科学问题。同时，克拉通拆沉岩石圈碎片与俯冲大洋板块残片在地震层析成像上表现为一致的高速异常体，难以区分，阻碍了对克拉通破裂碎片的追踪。发育在离散构造背景下的非洲板内克拉通在过去500百万年中缺乏板块俯冲历史，是研究这一问题的理想区域。
图1. A：速度异常（100千米）与剪切波分裂结果对比图；B：速度异常（200千米）与金伯利岩分布对比图；C：岩石圈横波速度结构；D：残余地形结果分布图；E：地幔转换带厚度与平均速度异常对比图；F：西南拆沉岩石圈碎片的板块重建轨迹图。
该研究基于非洲南部所有可用宽频带地震波形数据，系统性开展了纵波速度与径向各向异性层析成像研究，获得了该地区精细地幔速度与径向各向异性结构模型（SA-Ranis2024）。在地震层析成像中，亏损且温度较低的克拉通岩石圈通常显示出高速异常特征，而经过改造或交代作用的克拉通岩石圈往往显示低速特征。在地球化学中，钻石金伯利岩是研究克拉通岩石圈演化的重要窗口，这是由于钻石金伯利岩常常生成于150千米深处的克拉通根，指示在其喷发时存在厚的克拉通岩石圈。
该研究通过对比岩石圈速度结构与钻石金伯利岩分布，发现绝大多数钻石分布于东南卡拉哈里克拉通（Kalahari Craton）的岩石圈低速异常范围内，而极少分布于具有岩石圈高速异常特征的西北卡拉哈里克拉通（图1B）。以上的对应分布关系表明东南卡拉哈里克拉通岩石圈可能已被改造，因而存储于其克拉通根部的钻石随金伯利岩熔体上升至地表，这一过程得到最新地球动力学模拟支持。熔体在向上运移时，会形成垂向上的地震波速优势各向异性，表现为与低速异常对应的横波分裂测量空值（图1A）。该研究观测到的岩石圈低速异常区域与此前三维大地电磁研究发现存在交代流体的高电导异常位置吻合；同时，地幔捕虏体分析认为卡拉哈里克拉通岩石圈在金伯利岩浆集中喷发的白垩纪末期明显减薄。因此，种种证据表明东南卡拉哈里克拉通存在大面积的岩石圈改造或破坏。
此外，东南卡拉哈里克拉通存在较高的残余地形异常（图1D），曾被认为与非洲地幔柱有关。然而，该研究发现南非深部地幔缺乏大面积的低速异常，且径向各向异性以水平为主（代表地幔流以水平方向为主），地幔转换带厚度整体表现为正常（图1E），排除了非洲地幔柱对当下南非地形的影响。考虑到南非高原的地形抬升史与金伯利岩喷发史吻合，该研究认为在克拉通改造过程中，低密度的软流圈地幔取代了高密度的岩石圈地幔，从而导致东南卡拉哈里克拉通的地形抬升（图2）。
该研究还发现一些位于下地幔顶部的高速异常体。由于非洲在过去500百万年缺乏板块俯冲历史，这些高速异常最大可能为上覆克拉通岩石圈受到改造作用后的拆沉碎片。利用板块重建并结合非洲南部金伯利岩火山活动以及地形抬升历史，该研究推断卡拉哈里克拉通西南边缘下地幔顶部（850千米）的拆沉碎片源自白垩纪末期受到改造的东南津巴布韦克拉通（图1F），而这些拆沉的古老克拉通岩石圈碎片可能随着地幔对流被带到浅层岩石圈中。与之相似，在西南印度洋中脊发现的古老克拉通岩石圈物质亦是一例。该研究利用多学科观测证据限定了克拉通岩石圈改造的区域，为克拉通岩石圈拆沉碎片可下沉至下地幔提供了直接观测证据，揭示出克拉通拆沉岩石圈碎片在地球深部物质循环中的潜在作用，为研究板内岩石圈演化提供了新的思路。
图2. 板内克拉通岩石圈破坏及拆沉碎片循环示意图
论文第一作者为我室博士生席家骥，通讯作者为于有强教授，合作者包括日本东北大学赵大鹏教授和南方科技大学胡佳顺副教授。该研究受到国家自然科学基金（42374054；42074052），国家重点研发计划（2023YFF0803202），上海青年科技启明星计划（22QA1409600），上海市基础研究特区计划等项目资助。
全文链接：https://doi.org/10.1130/G52023.1
撰稿：席家骥
编辑：高小丰