地球板块构造模式演化——来自数值模拟的认识

数值模拟计算显示地幔对流构造模式可分为五类：非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式。依据对构造对流模式转换应力的分析发现，地球构造模式演化很可能分别经历了早期的幕式停滞层盖模式、随后的幕式类板块活动层盖模式以及当今的类板块活动层盖模式。早期地球处于幕式停滞层盖对流模式意味着那时仍可能存在俯冲；后期幕式类板块活动层盖对流模式的存在则说明在板块构造运动期间可能也存在间歇的表面构造运动停滞阶段，这或为地球1.0Ga前后的构造活动平静期提供一种解释。相关成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第1期。

现今地球表面构造运动模式是板块构造运动。但板块构造运动是否伴随地球的整个演化历史，如果不是，板块构造运动何时开始、板块构造运动之前是何种构造运动模式等问题一直是地球科学界关心的前沿和热点问题。由于不同地质记录存在多解性，对其解译的差异使得目前的板块构造运动开始的时间覆盖冥古代至古生代的各个时期。如有观点认为板块构造运动可能从冥古代, 或至少从太古代就已经开始，因为在中国华北、南非Slave、加拿大Superior等区域在2.5Ga前广泛存在蛇绿混杂岩；而另一种观点则认为块构造运动不早于1.0Ga, 此前处于单一停滞层盖模式，因为在1.7~0.75Ga间，地球处于地质上的平静期，此时蛇绿岩、蓝片岩和超高压地体非常少见。

中国科学技术大学博士生相松和黄金水教授等利用地幔对流数值模型，对地幔对流的构造运动模式进行计算分析，探讨板块构造运动产生的机制、地幔对流与不同构造运动模式之间的关联，从数值模拟的角度对地球构造运动模式的演化进行了探讨。大量的不同参数(屈服应力、瑞利数和内生热率)的模型结果显示，地幔对流构造模式可分为五类，即非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式(图1)。

图1 五种构造对流模式

(a) 非板块活动层盖对流模式; (b) 类板块活动层盖对流模式; (c) 幕式类板块活动层盖对流模式; (d) 幕式停滞层盖对流模式; (e) 停滞层盖对流模式。图中从上到下，前3行分别是表面黏性、温度剖面、黏性剖面，第4行给出另外一个时间步的温度剖面。

五类构造对流模式的主要特征表现为：(1) 非板块活动层盖对流模式的表面分布很多集中的黏性低值弱区，表面的高黏性板块相对较小，表面板块非常破碎(图1a)；(2) 类板块活动层盖对流模式的表面分布着较多且较连续的俯冲带和洋中脊，大约将模型表面分为10个左右的板块。冷的岩石圈可连续俯冲到达下地幔并在核幔边界堆积(图1b)；(3) 幕式类板块活动层盖对流模式长时间处于类板块活动层盖对流模式，但会间歇性出现表面停滞，由于表面停滞时间短，俯冲堆积在下地幔的物质并不能被充分加热(图1c)；(4) 幕式停滞层盖对流模式模型表面长时间处于停滞状态，但会间歇性出现表面运动。表面活动期间多数情况下仅存在一条俯冲带，岩石圈总体形变很小，由于表面停滞时间长，俯冲进入地幔深部的冷物质会被完全加热至地幔温度(图1d)；(5) 停滞层盖对流模式表面是一个单一的高黏性的岩石圈，对流都发生在强的岩石圈之下(图1e)。除了偶尔处于表面停止阶段，幕式类板块活动层盖对流模式与类板块活动层盖对流模式特征基本类似(图1b-1c)。

五种构造对流模式受控于模型参数，即瑞利数、内生热和屈服应力(图2)。屈服应力的大小对地幔构造对流处于何种模式具有重要影响。随着屈服应力从小到大逐渐增加，地幔构造对流模式依次经历非板块活动层盖对流模式、类板块活动层盖对流模式、幕式类板块活动层盖对流模式、幕式停滞层盖对流模式以及停滞层盖对流模式。瑞利数对地幔构造对流模式具有一定影响，瑞利数越大，产生类板块活动层盖对流的屈服应力范围越小，在瑞利数为10⁸时，类板块活动层盖对流发生的屈服应力范围约为110~330MPa。当Ra=10⁹时，类板块活动层盖对流仅在屈服应力110MPa附近很窄的范围内产生(图2b)。内生热率也对地幔构造对流模式产生影响，内生热的减小，不同对流模式间的转换应力分界线向更高的屈服应力值移动(图2c-2d)。

图2 构造对流模式与模型参数的关系

(a) 构造对流模式与瑞利数Ra和屈服应力的关系；(c) 构造对流模式与内生热H和屈服应力的关系。(b)和(d)分别与(a)和(c)相同，但采用量纲化的内生热和屈服应力。图中☆、◇、▽、△和□分别表示五种不同构造对流模式

为探讨不同对流模式间的转换关系，文章根据简化的边界层模型推导给出了幕式类板块活动层盖对流与幕式停滞层盖对流模式、以及幕式停滞层盖对流模式与停滞层盖对流模式之间的转换应力公式，即：

根据数值模型结果，结合上述转换应力公式，可拟合得到A_P=5.5×10⁴和A_S=2.5×10⁵(图3a)。构造对流模式间的转换应力，为讨论地球构造运动模式的演化提供工具。图3b-3d就是根据上述两式给出的转换应力曲线，线条颜色与图中给出的参数对应，实线和虚线分别由公式(1)和(2)确定。这意味着实线以下的区域处于活动层盖对流模式、虚线以上区域处于停滞层盖对流模式，中间则处于幕式停滞层盖对流模式(图3)。

图3 构造对流模式与模型参数的关系

(a) 数值模型算例的对流模式与R_ai 和τ*/(H Ti)^1/2的关系，其中实线和虚线分别是利用公式(1)和(2)拟合的构造对流模式转换分界线。(b)和(c)分别是利用公式(1)和(2)计算的模式转换应力τ*与H (b)和R_ai (c)的关系。实线代表幕式类板块活动层盖对流模式和幕式停滞层盖对流模式的转换应力，虚线代表幕式停滞层盖对流模式和停滞层盖对流模式的转换应力。(d)是利用公式(1)和(2)计算的H-R_ai参数空间中的模式转换分界线，图中黑线代表3种不同地球热演化模式，实线、虚线和虚点线分别代表线性冷却、现今快速冷却和早期快速冷却模式

根据对当今地球的认识，可得R_ai=10⁶、T_i=0.55, H=70。考虑到参数的不确定，当今地球处于图3b~3d左侧的十字影区范围。由于当今地球处于板块构造运动，意味着当今地球需要处于活动层盖对流模式，从图3b和3c可得，地球岩石圈的屈服应力大约介于150~250MPa。这个结果数值略微偏低，但与实验岩石学得到的蛇纹岩化地幔岩的强度基本一致。如果假定太古代地幔温度比现在高300℃左右，本文结果显示，那时的地球处于幕式停滞层盖对流模式，而不是停滞层盖对流模式。这意味着那时尽管主要处于停滞层盖对流状态，但可以发生间歇性俯冲。由于幕式类板块活动层盖对流模式与类板块活动层盖对流模式主要特征类似，可将从幕式停滞层盖对流模式转换为幕式类板块活动盖层对流模式的时间对应于地球板块构造运动开始的时间。板块构造模式开始时间与地球的热演化以及岩石圈强度密切相关。对应地球早期快速冷却模型，若岩石圈强度为200MPa，板块构造模式开始时间早于2Ga；在岩石圈强度只有150MPa时，开始时间可早到3.8Ga。对应地球现今快速冷却模型，当岩石圈强度为200MPa，板块构造模式开始时间可晚至0.95Ga。但在岩石圈强度只有150MPa时，板块构造模式可在1.5Ga开始。由于幕式类板块活动层盖对流模式存在间歇性表面停滞阶段，这意味着板块构造运动开始后，也可能存在间歇的表面构造运动不活跃阶段，这或为地球1.0Ga前后的构造活动平静期提供了一种解释。