胡佳順

南方科技大學(xué) 地球與空間科學(xué)系, 深圳518055

夏威夷—皇帝海山鏈?zhǔn)潜碧窖笠粭l自西北向東南延伸長達(dá)數(shù)千千米的火山島鏈，其走向在47 Ma前發(fā)生了約60°的偏轉(zhuǎn)，形成了著名的夏威夷—皇帝海山鏈彎折. 該彎折的形成機(jī)制牽扯到板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造——兩大地球科學(xué)基礎(chǔ)理論，是地球動力學(xué)領(lǐng)域懸而未決的重要科學(xué)問題. 目前，學(xué)界存在兩種主流觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為夏威夷地幔柱的位置相對固定，是太平洋板塊運(yùn)動突然轉(zhuǎn)向?qū)е铝撕Ｉ芥湹膹澱郏∕organ, 1972; Torsvik et al.,2017），另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為太平洋板塊運(yùn)動相對穩(wěn)定，是夏威夷熱點(diǎn)在47 Ma 以前快速南向漂移以及在47 Ma之后相對固定導(dǎo)致了海山鏈的彎折（Tarduno et al., 2003; Hassan et al., 2016; Sun et al.,2021）.

對于夏威夷熱點(diǎn)南向漂移假說，最關(guān)鍵的證據(jù)來自于古地磁研究. Tarduno等（2003）發(fā)現(xiàn)從約81 Ma到47 Ma，Detroit、Suiko、Nintoku和Koko海山的古緯度逐次減小，提出夏威夷熱點(diǎn)以約3～5 cm/a的速度向南漂移. Hassan等（2016）則利用動力學(xué)數(shù)值模擬重現(xiàn)了夏威夷熱點(diǎn)的南向漂移.然而，簡單的運(yùn)動學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，熱點(diǎn)南向漂移無法單獨(dú)解釋夏威夷—皇帝海山鏈彎折，太平洋板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向仍是不可或缺的因素（Torsvik et al., 2017）.因此，約束太平洋板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向的幅度，探討轉(zhuǎn)向的機(jī)制，是深入理解夏威夷—皇帝海山鏈彎折成因的必要條件.

太平洋板塊運(yùn)動在47 Ma的轉(zhuǎn)向機(jī)制本身也是動力學(xué)研究的一個難題. 前人提出過諸多假說，包括伊豆—小笠原—馬里亞納（IBM）和湯加—克馬德克的俯沖起始（Hall et al., 2003），伊邪那岐—太平洋洋中脊的俯沖（Whittaker et al., 2007），以及印度與歐亞大陸碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)（Patriat and Achache, 1984）等，但都沒有經(jīng)過定量化數(shù)值模型的驗(yàn)證. 這些假說多是基于傳統(tǒng)的板塊重構(gòu)模型提出的. Hu等（2022）利用傳統(tǒng)的板塊重構(gòu)模型（Müller et al., 2016）重建了古地幔的溫度結(jié)構(gòu)，并用高分辨率全球地幔對流模型預(yù)測了47 Ma前后的太平洋板塊運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)伊豆—小笠原—馬里亞納和湯加—克馬德克的俯沖起始、伊邪那岐—太平洋洋中脊的俯沖、以及印度與歐亞大陸的碰撞均不能導(dǎo)致太平洋板塊運(yùn)動發(fā)生顯著偏轉(zhuǎn).

另一方面，研究發(fā)現(xiàn)北太平洋地區(qū)的板塊演化歷史可能比傳統(tǒng)重構(gòu)模型揭示的更加復(fù)雜.Kronotsky 和Olyutorsky 是勘察加半島的兩個增生巖 漿 弧 復(fù) 合 體（Konstantinovskaia, 2001）（圖1a～c）. 古地磁研究發(fā)現(xiàn)它們在晚白堊世仍處于中緯度地區(qū)，距離現(xiàn)在位置數(shù)千千米遠(yuǎn)，之后不斷向北漂移直到與勘察加半島碰撞（Levashova et al.,2000）. 火成巖定年分析和構(gòu)造地質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，Kronotsky 和Olyutorsky的火山活動始于晚白堊世，終于始新世，與勘察加半島的碰撞分別發(fā)生在晚中新世和始新世（Konstantinovskaia, 2001）. 這些證據(jù)表明北太平洋地區(qū)在晚白堊世到始新世時間段內(nèi)曾發(fā)生洋內(nèi)俯沖，而這些增生地塊正是洋內(nèi)俯沖產(chǎn)生的島弧向北漂移，拼接到勘察加半島形成的（Vaes et al., 2019）.

圖1 （a～c）Hu等（2022)）重構(gòu)的北太平洋板塊演化模型，即Kronotsky俯沖模型；（d）基于不同板塊重構(gòu)模型用高分辨率全球地幔對流數(shù)值模擬預(yù)測的太平洋板塊運(yùn)動方位角隨時間的變化；（e）動力學(xué)模型預(yù)測的夏威夷—皇帝海山鏈；IZG-PAC-ridge-SUB為傳統(tǒng)板塊重構(gòu)模型（Müller et al., 2016）；Kronotsky SUB為Kronotsky俯沖模型（Hu et al., 2022）Fig. 1 The Kronotsky subduction model in North Pacific proposed by Hu et al. (2022) (a～c), the change of the azimuth of Pacific Plate motion with time predicted by high-resolution global mantle convection models based on different plate reconstructions(d) and the geodynamically predicted Hawaiian-Emperor Seamount Chain (e). IZG-PAC-ridge-SUB, the traditional plate reconstruction by Müller et al. (2016); Kronotsky SUB, the Kronotsky subduction model by Hu et al. (2022).

基于這些證據(jù)，Hu等（2022）重構(gòu)了這一地區(qū)的板塊演化歷史，認(rèn)為北太平洋地區(qū)有一個消失的古板塊，即：Kronotsky板塊. 47 Ma以前，太平洋板塊在Kronotsky板塊下的俯沖為太平洋板塊的北向運(yùn)動提供了動力. 而在47 Ma，該俯沖帶的消失導(dǎo)致了北向驅(qū)動力的消失，引發(fā)了太平洋板塊往西西北方向的偏轉(zhuǎn). 對于該俯沖帶消失的原因，一個合理的猜測是夏威夷地幔柱柱頭引起的海底高原的俯沖阻塞導(dǎo)致的. Hu等（2022）進(jìn)一步用高分辨率動力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算了該模型下太平洋板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向的幅度，發(fā)現(xiàn)太平洋板塊偏轉(zhuǎn)了約30°～35°（圖1d）. 當(dāng)結(jié)合前人得到的地幔柱漂移軌跡之后，計(jì)算得到的夏威夷—皇帝海山鏈的軌跡能較大程度擬合實(shí)際觀測（圖1e）. 據(jù)此，Hu等（2022）提出太平洋板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向和夏威夷地幔柱南向漂移共同導(dǎo)致了夏威夷—皇帝海山鏈的彎折，且兩者的貢獻(xiàn)大致相同. 這為夏威夷—皇帝海山鏈彎折的形成機(jī)制提供了一個合理的解釋. 目前，北太平洋地區(qū)的板塊演化歷史仍有較大不確定性. 尋找更多的證據(jù)，完善北太平洋及其周邊區(qū)域的板塊演化歷史，評估不同板塊演化模型對太平洋板塊運(yùn)動轉(zhuǎn)向和夏威夷熱點(diǎn)南移的影響，或是徹底解決夏威夷—皇帝海山鏈彎折機(jī)制的關(guān)鍵.