夏威夷—皇帝海山鏈彎折的形成與Kronotsky古俯沖的聯(lián)系

胡佳順

南方科技大學 地球與空間科學系, 深圳518055

夏威夷—皇帝海山鏈是北太平洋一條自西北向東南延伸長達數(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. 該彎折的形成機制牽扯到板塊構(gòu)造和地幔柱構(gòu)造——兩大地球科學基礎(chǔ)理論，是地球動力學領(lǐng)域懸而未決的重要科學問題. 目前，學界存在兩種主流觀點：一種觀點認為夏威夷地幔柱的位置相對固定，是太平洋板塊運動突然轉(zhuǎn)向?qū)е铝撕Ｉ芥湹膹澱郏∕organ, 1972; Torsvik et al.,2017），另一種觀點則認為太平洋板塊運動相對穩(wěn)定，是夏威夷熱點在47 Ma 以前快速南向漂移以及在47 Ma之后相對固定導致了海山鏈的彎折（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，提出夏威夷熱點以約3～5 cm/a的速度向南漂移. Hassan等（2016）則利用動力學數(shù)值模擬重現(xiàn)了夏威夷熱點的南向漂移.然而，簡單的運動學分析發(fā)現(xiàn)，熱點南向漂移無法單獨解釋夏威夷—皇帝海山鏈彎折，太平洋板塊運動轉(zhuǎn)向仍是不可或缺的因素（Torsvik et al., 2017）.因此，約束太平洋板塊運動轉(zhuǎn)向的幅度，探討轉(zhuǎn)向的機制，是深入理解夏威夷—皇帝海山鏈彎折成因的必要條件.

太平洋板塊運動在47 Ma的轉(zhuǎn)向機制本身也是動力學研究的一個難題. 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程效應（Patriat and Achache, 1984）等，但都沒有經(jīng)過定量化數(shù)值模型的驗證. 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測了47 Ma前后的太平洋板塊運動，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致太平洋板塊運動發(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)模型揭示的更加復雜.Kronotsky 和Olyutorsky 是勘察加半島的兩個增生巖 漿 弧 復 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，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)值模擬預測的太平洋板塊運動方位角隨時間的變化；（e）動力學模型預測的夏威夷—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動提供了動力. 而在47 Ma，該俯沖帶的消失導致了北向驅(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致的. Hu等（2022）進一步用高分辨率動力學數(shù)值模擬計算了該模型下太平洋板塊運動轉(zhuǎn)向的幅度，發(fā)現(xiàn)太平洋板塊偏轉(zhuǎn)了約30°～35°（圖1d）. 當結(jié)合前人得到的地幔柱漂移軌跡之后，計算得到的夏威夷—皇帝海山鏈的軌跡能較大程度擬合實際觀測（圖1e）. 據(jù)此，Hu等（2022）提出太平洋板塊運動轉(zhuǎn)向和夏威夷地幔柱南向漂移共同導致了夏威夷—皇帝海山鏈的彎折，且兩者的貢獻大致相同. 這為夏威夷—皇帝海山鏈彎折的形成機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動轉(zhuǎn)向和夏威夷熱點南移的影響，或是徹底解決夏威夷—皇帝海山鏈彎折機制的關(guān)鍵.