《冰川作用对岩石圈运动和洋脊扩张的影响》

  • 来源专题:深海资源开发
  • 编译者: 徐冰烨
  • 发布时间:2025-07-03
  • 在过去的300万年里,北半球的大型冰盖以约4万年和10万年的周期反复扩展与消退,形成了冰期循环,并与气候和构造活动之间存在显著的动态相互作用。在这些冰期循环中,冰盖质量及其引起的海平面变化会通过冰川均衡调整(GIA)过程引发显著的岩石圈和地壳变形与应力变化,从而促进断层活动和地震的发生,并调控陆地火山和洋中脊(MORs)的岩浆活动,这些岩浆活动又可能反过来影响气候和冰期循环。尽管GIA引起的地壳运动主要表现为垂直方向的上升或沉降,但也会导致显著的水平方向运动,包括类似旋转的运动。这一点已被GPS观测研究所证实。GIA引起的水平运动影响范围远大于垂向运动,而且对地幔的可压缩性和粘滞结构非常敏感,包括岩石圈厚度的变化和弱板块边缘。然而,过去的研究主要关注与GPS相关的现代地壳运动,对于冰期循环过程中的GIA是否会对板块尺度的岩石圈水平运动产生影响,以及是否可能反馈调控板块边界的动力学过程,则鲜有研究。

    美国科罗拉多大学博尔德分校物理系的研究人员采用了计算高效、精度高、最近更新的开源建模代码CitcomSVE-3.0,构建了高分辨率的全球GIA模型,以探索GIA在上一个冰期循环中对板块运动的影响,并于《Nature》上发表了研究结果。研究共计算了17个GIA模型,这些模型包含了不同的地幔与岩石圈粘滞结构和冰盖历史模型。模型中使用了ICE-6G和ANU两种上一个冰期循环的冰盖演化历史,同时考虑了地幔的可压缩性、粘弹性,以及包含弱板块边界的真实三维地壳与岩石圈结构。模型的水平方向分辨率在大多数区域约为30公里,足以解析宽度为100公里的板块边界。将水平分辨率提高到约17公里后,得到的结果几乎没有变化。地幔粘滞结构以VM5a模型为基础,并在其中加入了一个较弱的软流圈。软流圈的存在已被地幔动力学、古湖岸线变形与GIA研究所支持。模型很好地拟合了当前观测到的地壳上升速率。

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    • 地球经历了多次超大陆的旋回,大陆的聚集和裂解深刻地影响了岩石圈的演化。最古老的洋壳岩石年龄不超过2.5亿年,而最古老的大陆岩石可达~40 亿年。长期以来,关于大陆的形成、生长和改造一直存在争议,了解岩石圈的力学性质有助于破译大陆漫长、复杂的演化历史。曾有学者提出在超大陆旋回期间,应变集中在先前存在的薄弱带,构造继承在超大陆旋回中起主导作用。岩石圈有效弹性厚度(Te)表示在长期构造载荷作用下与实际岩石圈挠曲变形一致的弹性薄板厚度,可以反映岩石圈抵抗弯曲变形的能力,相关研究有助于解读大陆岩石圈的区域变形机制和复杂演化历史。 自然资源部第二海洋研究所海底科学重点实验室“海底演化与动力过程”团队的陆哲哲博士(第一作者)、李家彪院士(共同通讯作者)等与加拿大渥太华大学Pascal Audet教授合作,利用基于连续小波变换的地形和布格重力异常的导纳和相干函数联合反演方法建立了全球大陆及大陆边缘区域的高分辨率空间分布图。全球大陆介于0-140 km,平均值为50 km,标准差为33 km。结果显示,古老而稳定的克拉通值普遍较高(>100km),包括北美、南美、西非、刚果、东欧和澳大利亚克拉通。少数被活化的克拉通,如华北、扬子和南印度克拉通呈现出低的Te(<50km)。最低的Te(<20km)分布于显生宙的构造域(如特提斯和环太平洋构造域)和其他构造活跃的区域。为了深入挖掘全球大陆分布的模态特征,利用高斯混合模型对进行聚类分析,揭示了全球大陆与构造背景直接相关的三个主要“力学省份(mechanical provinces)”的空间分布及占比:活动构造域(37%),稳定的大陆核(33%)和过渡区(30%)。进一步将分布与末次造山运动时间数据进行比较,发现表现出明显的时间依赖性,受上一次造山运动以来时间的支配。大陆岩石圈的长期强度在区域造山活动期间会被部分重置,而长期无区域高温热构造事件发生可以促使岩石圈厚而稳定,从而具备高的值。大陆整体与岩石圈等温线深度一致。这些结果有利于说明,类似于大洋岩石圈,扩散(冷却)模型同样深刻地影响了大陆岩石圈的强度,尽管大陆与温度、成分和流变结构之间存在复杂的关系。后续研究可以致力于对大陆岩石圈时间依赖关系的进一步细化和基于板块冷却模型的大陆岩石圈强度重置比例研究。 论文引用:: Lu, Z. (陆哲哲), Audet, P.*, Li, J.* (李家彪), Zhang, T. (张涛), & Li, C., (2024). Strength of continental lithosphere governed by the time since the last orogeny.
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