俯衝構造vs.地幔柱構造——板塊運動驅動力探討

板塊運動的驅動力問題是板塊構造的基本問題。中科院地質與地球物理所陳凌研究員及其合作者，從不同尺度和角度分析討論了「Bottom up」和「Top down」兩種機制的相互關係和相互作用，及其對地球系統時空演化的影響，並論述了未來板塊運動驅動力研究的主要方向。

板塊構造是指地球外殼巖石圈塊體在地球表面的水平運動及其相互作用，是地球區別於其他行星的最重要特徵。板塊運動的驅動力問題是板塊構造的基本問題，也是自20世紀60年代末板塊構造理論提出以來地球科學界一直關注和爭論的焦點，分歧主要在於是地幔對流驅動的「Bottom up」機制還是板塊本身性質決定的俯衝驅動「Top down」機制（圖1）。對這兩種機制及其在地球動態演化過程中相互作用模式的深入理解、準確評估與判斷，是認識地球整體演化的關鍵。

中國科學院地質與地球物理研究所陳凌研究員等從板塊運動驅動力這一基本問題入手，系統總結了過去半個世紀以來與板塊構造和地幔對流相關的運動學、動力學系列研究，從不同時空尺度和動力學演化角度分析討論了兩者的相互關係和相互作用及其對地球系統時空演化的影響，並論述了未來板塊運動驅動力研究的兩個主要方向。該文作為封面文章發表在《中國科學：地球科學》英文版2020年第3期。

圖1 板塊運動的「Bottom up」和「Topdown」驅動機制

對於板塊運動的驅動力問題主要存在兩派觀點。一派是基於「Bottom up」的認識，認為板塊運動受控於板塊之下的地幔對流系統，特別是起源於核幔邊界的地幔柱作用於板塊底部，促使大陸裂解，並驅動板塊運動（圖1左半部分）。這種觀點強調了地幔對流，尤其是地幔柱在驅動板塊運動過程中的作用，因此又被稱為地幔柱構造觀點。而「Top down」機制則認為板塊運動的驅動力主要來源於板塊自身的負浮力，板塊構造和地幔對流均受控於板塊的俯衝作用，因此板塊構造又被稱為俯衝構造（圖1右半部分）。

「Top down」是目前地球科學界較為普遍接受的觀點。根據該觀點，板塊構造和地幔對流都取決於地球表面的板塊性質和狀態。其中，大洋板塊在自身的重力作用下發生俯衝。一方面，俯衝板片密度大於周圍地幔，受到的浮力小於重力，因而能夠持續俯衝，並對地表與之相連的板塊產生拖拽作用（slab pull），促使其運動；另一方面，俯衝板片通過與周圍地幔的黏滯耦合作用帶動地幔對流（slab suction），並進一步由對流地幔產生的剪切牽引力帶動上覆板塊運動（圖2）。「Top down」觀點的產生，多來源於顯生宙, 特別是200Ma以來的地質學、地球物理研究證據和板塊重構結果，表明這一時期地球系統以板塊（俯衝）構造為主導。然而地球系統經歷了約45億年的演化，從太古代早期到顯生宙，淺表和深部結構與性質都發生了強烈改變，板塊構造自形成以來也經歷了顯著時間演變。因此，對板塊運動驅動力問題的全面認識必須考慮時間演化。進一步研究表明，板塊構造與地幔柱構造在地球長期演化過程中是緊密聯繫的，兩者存在不同時空尺度的相互作用，地幔柱構造對板塊運動產生了不可忽視的影響。例如，個別板塊增速、減速與單一地幔柱活動在百萬年時間尺度具有耦合關係；多個板塊內穩定克拉通地區地表隆升、沉積速率與地幔柱相關的巖漿活動在億年時間尺度存在時空相關性；而全球範圍的超大陸聚合、裂解與超級地幔柱活動在二十億年以來的地質歷史時期表現為周期性耦合關係(圖3)。

圖2 板片拖拽力和板片吸力驅動地錶板塊運動示意圖

圖3 地球歷史時期超大陸時間演化與大火成巖省事件概率分布的對比

關於板塊構造與地幔柱構造以及兩者之間相互作用模式的爭論，涉及了對板塊及板塊構造本身的認識和對板塊構造與地球系統關係的認識。因此，未來關於板塊運動驅動力的研究仍需要圍繞以下兩個方面展開：

(1) 將地震學、重力、形變等多學科觀測與動力學模擬和實驗相結合，對不同時空尺度的板塊變形進行綜合約束，深入開展板塊流變性質研究，為進一步釐定板塊運動驅動力、理解和認識板塊構造本質提供基礎依據。

(2) 將板塊構造置於地球系統之中，作為其不可分割的一部分，將淺部與深部、自上而下與自下而上的構造過程緊密結合，從地球整體角度來開展系統深入的研究。