本文转自：中科院地质地球所


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和许多类地行星相同 ， 地球长期演化的主控因素是地幔温度 ， 地幔潜温（potential temperature）长期降低（secular cooling） ， 改变着地球内部物质的密度、强度和相态 ， 这使得早期板块构造的方式可能与现今不同 。西澳大利亚是世界上已知最古老也是保存最好的克拉通地区之一 ， 特别是其西北部分记录了从太古代到元古代的复杂演化历史 ， 是认识早期板块构造动力学过程和机制的理想场地 。然而 ， 西北澳大利亚也是世界上人烟最稀少的大陆地区之一 ， 同时由于广袤的显生宙大沙沙漠（Great Sandy Desert）的覆盖 ， 学术界对西北澳大利亚克拉通的形成与演化历史一直未获得有效基础证据 ， 甚至连克拉通拼合的年代和缝合带位置都没有确切的认识 。
为理解早期板块构造动力学 ， 中国科学院地质与地球物理研究所联合澳大利亚麦考瑞大学和西澳大利亚地质调查局于2017-2019年跨越Pilbara克拉通北缘、Canning盆地、Kimberley克拉通南缘实施了中国-西澳地震观测计划（China-Western Australia Seismic Survey ， 简写CWAS） 。该计划是本地区第一条大规模地震台阵剖面 ， 总长度900公里 ， 共布设58个三分量宽频带地震台 ， 平均间距为15公里（图1） 。为增大观测孔径 ， 同时在西澳边缘印度洋地区布设了11台宽频带海底地震仪（CANPASS计划） 。上述两项实验获得了大量高质量连续观测数据 。


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图1 西北澳大利亚地质简图以及中国-西澳地震观测计划布设的地震台阵位置
岩石圈演化国家重点实验室赵亮研究员、麦考瑞大学袁怀玉研究员和CWAS团队开展了地震波P波接收函数共转换点成像、H-k分析、噪音层析成像跨维度反演成像等多种方法研究 ， 获得了观测剖面下方的岩石圈顶部结构和物性特征（图2） 。多物理量约束的高分辨率观测结果揭示了Pilbara克拉通与Kimberley克拉通多阶段拼合汇聚遗留的构造特征 ， 清晰指示了两个未知的与板块汇聚有关的倾斜古老上地幔结构：Pilbara克拉通南缘的Moho面延伸至70公里 ， 结合区域地质和年代学限制 ， 推断为19亿年前Pilbara克拉通拼合形成时的大陆深俯冲结构（图3）；Canning盆地下方则为与13亿年前大陆碰撞有关的痕迹 ， 只可见岩石圈最顶部的残留速度结构 。


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图2 剖面下方岩石圈顶部多种地震成像方法结果 。(a)H-k方法获得的地壳厚度；(b)H-k方法获得的Vp/Vs比值；(c)P波接收函数共转换点成像； (d)噪音成像跨维度反演获得的横波速度结构


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图3 根据最新地震学结果提出的西北澳大利亚形成的多阶段演化模型
CWAS剖面揭示的两个未知汇聚边界具有明显不同的命运：古元古代的俯冲结构被较好保留 ， 中元古代的碰撞结构却被后期构造改造 。这种差别是否反映地球长期演化的秘密？带着这个问题 ， 研究团队对比了全球前寒武和显生宙两个时期大陆深俯冲带结构（图4a） ， 发现：（1）前寒武和显生宙两个时期大陆碰撞带Moho面几何形态（俯冲角度、深度）存在统计上的显著差异（图4b）, 前寒武的大陆俯冲带平均倾角小 ， 深度较浅 ， 而显生宙俯冲带则平均倾角大 ， 能俯冲的深度深；（2）全球范围内前寒武的俯冲结构保留最多 ， 而显生宙基本只有新生代时期尚未被后续构造活动影响的大陆深俯冲结构能被保留 。推断这样的特征可能反映了两个关于地球长期演化的规律：（1）Columbia超大陆形成时期地幔潜温可能降低到大陆岩石圈具有深俯冲的强度 ， 因此可以解释本时期全球大陆俯冲带广泛发育的观测事实；（2）古元古代地幔潜温依然很高 ， 使得大陆板块碰撞界面的含水矿物能更高效脱水 ， 因此俯冲边界岩石圈强度能快速愈合（healing） ， 造成大陆碰撞带边界保存好 。在显生宙随着潜温的进一步降低 ， 岩石圈强度进一步加强 ， 大陆深俯冲的角度和深度都在增加 ， 然而大陆板块碰撞界面含水矿物能长期保存 ， 因此俯冲界面无法有效愈合 ， 这使得后期的构造作用很容易破坏俯冲结构 。