我国科学家和海外合作者提出地幔柱驱动克拉通再生新理论

　　

　　在国家自然科学基金项目（批准号：41822301、41790451、41730214）等资助下，中国地质大学（北京）刘金高教授与加拿大、挪威和英国的科学家合作，通过对加拿大北极地区地幔橄榄岩包体的地球化学、地球物理等多学科研究，发现地幔柱不仅破坏并减薄了岩石圈地幔，而且诱发了克拉通愈合、再生，从而延长了地球古老稳定大陆的生命。研究成果以“地幔柱驱动岩石圈地幔的克拉通再生（Plume-driven recratonization of deep continental lithospheric mantle）”为题，于2021年4月28日在线发表在《自然》（Nature）上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03395-5。

　　巨厚、亏损和难熔的克拉通岩石圈地幔是地球古老大陆长期稳定的关键因素。大量证据表明，克拉通岩石圈经历过不同程度的破坏、减薄，然而现存的大多数稳定克拉通都已恢复到了太古代的厚度（150-200 km），即存在可能的“克拉通再生”过程。前人对克拉通破坏做了大量研究，但对于克拉通再生却了解甚少。

　　针对克拉通演化中是否存在克拉通再生这一重大科学问题，刘金高等选取加拿大北极地区出露的金伯利岩所捕获的岩石圈地幔橄榄岩包体作为研究对象，建立了一个南北向跨越1200公里的岩石圈地幔的组成、热状态与年龄剖面（涵盖Mackenzie大火成岩省；图1a）。研究结果表明，地幔包体揭示的岩石圈厚度约为200 km，与该地区金伯利岩筒产出金刚石的潜在深度一致，也与现今地震波所揭示的岩石圈厚度一致（图1b）。然而，Mackenzie大火成岩省的形成说明Mackenzie地幔柱不仅破坏并减薄了岩石圈地幔，而且其后诱发了克拉通愈合、再生，使岩石圈厚度重新恢复到约200 km。Re-Os同位素数据表明，克拉通离地幔柱越近，其岩石圈地幔被置换得越彻底（比如Artemisia）；反之影响越小（比如Jericho和Diavik）。

　　为重现克拉通再生的具体过程，作者通过地球动力学数值模拟手段，模拟地幔柱高压熔融所产生的地幔残余体如何填充位于两个克拉通之间、被减薄后的岩石圈空隙（图2）。结果发现，地幔柱能够利用高压、高程度的部分熔融的残余体来愈合被破坏和减薄的克拉通山根，使之恢复到原先的厚度。作者进一步综合分析了多个经典克拉通岩石圈地幔的演化历史，发现克拉通再生可能是克拉通演化中非常普遍的过程，可以合理地解释克拉通地幔的物质构成。

　　克拉通地幔也是金刚石成矿的主要场所。克拉通再生重塑了金刚石的成矿环境，为金刚石探矿与采矿提供了理论依据。

图1 (a) Slave克拉通地质图；(b) 地震波图（各样品点的数值代表由地温梯度所计算的岩石圈厚度）

图2 地幔柱填充两个克拉通之间、被减薄后的岩石圈空隙的数值模拟图