综述：大陆裂谷与地幔对流

《Earth-Science Reviews》：Continental rifts and mantle convection

大陆裂谷演化类型与驱动机制研究：以东非大裂谷和欧洲新生代裂谷系统为例，提出a型（平行地幔流、慢速延伸）和b型（垂直地幔流、洋壳形成）裂谷分类，分析非等位地形、重力势能及地幔对流对裂谷演化的控制作用，探讨其在大陆裂解及潘吉亚分裂中的意义。

　　大陆裂谷是威尔逊旋回的重要组成部分，这一地质过程的描述需要整合来自地震层析成像、地震各向异性以及非等静压地形等多方面的约束条件，再加上地质观测。本文探讨了东非裂谷（EAR）和欧洲新生代裂谷系统（ECRIS）的演化过程，并定义了两种裂谷类型。第一种类型为“a型裂谷”，例如EAR和ECRIS，它们的形成方向与上地幔中低速区域（称为“手指”结构，LVF）的流动方向平行，处于胚胎阶段，扩展速率较慢，主要由重力势能驱动。第二种类型为“b型裂谷”，例如门德莱斯裂谷和科林斯裂谷，它们的形成方向与地幔流动方向垂直，最终导致海洋化；而亚丁湾、红海和贝加尔湖则属于中间类型。随后，我们提出了一种新的模型，用于解释在玄武岩贫乏时期，从比利牛斯造山运动向地中海后弧扩张过渡期间形成的短命ECRIS（约44–33百万年前）。从加那利群岛热点向北延伸的LVF传播，最终到达法国中央高原和莱茵地区，形成了裂谷。从晚始新世开始，板块俯冲的快速撤退改变了上地幔的流动模式，启动了地中海的近期俯冲体制，并伴随着后弧盆地的形成和LVF的分散。从约8百万年前开始，中央和西地中海的板块撤退相继停止，随之而来的是压缩作用和火山活动的恢复，这可能与LVF的重新建立有关。我们推测“a型”和“b型”裂谷在板块构造中的不同作用，包括在中生代泛大陆（Pangea）的分裂过程中可能扮演的角色。

裂谷的演化通常被认为会最终形成中洋脊，但地质记录中也存在许多未能完成的裂谷实例。非洲拥有多个这样的裂谷，其形成可以追溯到中生代，这些裂谷在演化过程中停止于胚胎阶段，而大西洋裂谷则成功达到完全破裂并形成海洋。在大陆表面，不同活跃或非活跃裂谷表现出多样的行为。扩展速率从几毫米到1–2厘米每年不等。一些裂谷伴随着火山活动，而另一些则是无火山的。裂谷通常沿着单一的主要断陷盆地（狭窄裂谷）集中，但也可能分布于一系列平行裂谷中，如在盆地与范围省（宽裂谷）中。宽裂谷对应于已经崩塌的造山带。裂谷形成的运动背景同样多样（见图1）。在绝对板块运动框架下，一些裂谷如东非裂谷的走向与它们所在板块的绝对运动方向一致，而另一些如亚丁湾则与绝对运动方向高度偏斜。这种三维背景挑战了控制裂谷作用的力的起源，包括远场力通过刚性岩石圈的传递与从下方对流地幔传递的力之间的相对作用。

大陆破裂的动力学经常通过对比被动与主动裂谷模式来讨论（Seng?r和Burke，1978；Turcotte和Emerman，1983；Keen，1985；Huismans等，2001；Frizon de Lamotte等，2015；Ivanov等，2015；Issachar等，2024）。在主动裂谷中（见图2），扩展源于地幔柱下方形成的重力势能梯度，而被动裂谷则是由于板块相互作用和板块俯冲产生的边缘力。主动裂谷可能与强烈的火山活动和裂谷前的长波长隆升有关，而被动裂谷的扩展则可能在隆升之前或同时发生，且隆升仅限于裂谷肩部。另一个主要区别是，主动裂谷演化为火山边缘，而被动裂谷演化为非火山边缘。这两种边缘类型也表现出不同的变形模式，主动系统中的断层和塑性剪切带向大陆倾斜，而被动系统中的正断层则向海洋倾斜（Manatschal，2004；Lavier和Manatschal，2006；McDermott等，2015；Clerc等，2017；Manatschal等，2021）。然而，被动与主动裂谷系统的区分并不总是明确，因为裂谷过程中地幔成分可能随时间增加，这是其内在结果（Huismans等，2001；Ivanov等，2015；Issachar等，2024），以及地幔柱作用可能在大陆破裂完成前熄灭（例如Ziegler，1992a；Ziegler和Cloetingh，2004）。长波长地形起伏可以作为判断地幔柱是否位于大陆岩石圈下方的良好指标（Koptev等，2018）。然而，裂谷区域也会对板块边界处的应力变化做出反应（Janssen等，1995），以及岩石圈流变特性的复杂性（例如Burov和Guillou-Frottier，2005），这可能使得被动与主动端元的区分变得困难。

由于裂谷和后裂谷期岩石圈压缩导致的岩石圈厚度变化，是生成异常地形的有效机制，而无需地幔柱位于岩石圈下方（Kooi和Cloetingh，1992；Kooi等，1992；Cloetingh等，1999）。当考虑更现实的三维裂谷环境时，另一个三维复杂性的来源是地幔流动可能与裂谷方向平行，而不是像二维模型中通常假设的那样垂直。东非裂谷就是这种情况的最佳例子。Stamps等（2014）提出，东非裂谷的扩展主要由重力势能驱动，而不是由地幔牵引作用引起的。有趣的是，通过SKS分裂得到的快速方位各向异性方向与裂谷方向一致，而不是垂直。这可能表明由于裂谷平行地幔流动产生的地幔层剪切（Bagley和Nyblade，2013）。另一种解释是这种方向性是由于裂谷下方存在熔融物质（Bastow等，2010；Holtzman和Kendall，2010），这种效应可能与地幔流动共同作用（Ebinger等，2024）。

本文以两个部分同时存在的裂谷系统为例，探讨大陆内部裂谷的驱动因素。这两个裂谷系统具有相似的南北走向，都表现出缓慢的扩展（约5毫米每年）和碱性火山活动，即东非裂谷（EAR）和欧洲新生代裂谷系统（ECRIS）（见图3、图4），并对比其他裂谷系统的行为。ECRIS自中中新世以来不再活跃，文献中对其成因有不同的解释，从地幔柱到阿尔卑斯碰撞的侧向效应，再到非洲和欧亚板块汇聚方向的岩石圈裂缝（Illies，1975；Tapponnier，1977；Merle和Michon，2001；Ziegler和Dèzes，2005）。ECRIS形成于从非洲、伊比利亚和欧亚板块碰撞形成比利牛斯山脉向西地中海板块撤退形成后弧盆地的快速过渡期（Séranne，1999；Ziegler和Dèzes，2005；Ziegler和Dèzes，2007；Mouthereau等，2021；Séranne等，2021）。

基于现有的地震层析成像模型、地震各向异性数据和非等静压地形估算的综合分析，结合它们的构造演化，我们发现这两个标志性裂谷系统EAR和ECRIS均位于正的非等静压地形异常之上，并且与非洲和欧洲板块的绝对运动方向一致。此外，它们形成于水平的低速“手指”结构（LVF）之上，这些结构可能是热的上地幔流动，其方向与裂谷方向平行。我们将这种裂谷定义为“a型裂谷”，与“b型裂谷”形成对比，后者裂谷轴与大尺度地幔流动方向垂直或高度偏斜。在“a型”裂谷中，由重力势能引起的力在裂谷轴方向上导致缓慢扩展，同时早期火山活动削弱了岩石圈。抬升的非等静压地形产生向外的重力力，从而在裂谷轴方向上引起扩展。我们讨论了主要的新生代大陆裂谷系统（EAR、ECRIS、里奥格兰德、红海、亚丁湾、贝加尔湖）的演化情况，从“a型”与“b型”以及“主动”与“被动”端元的角度进行分析。因此，我们为ECRIS在始新世的局部扩展提供了另一种解释。随后，我们讨论了整个地幔尺度的大规模对流与西地中海地区由板块撤退引起的更小尺度但更快的地幔流动之间的竞争。最后，我们回顾过去，推测LVF和“a型”裂谷在泛大陆分裂过程中的作用。

在裂谷形成过程中，地幔流动可能对岩石圈施加推动力或阻力，具体取决于地质环境。地幔流动对上覆岩石圈的变形产生的推动力已被多种证据和数值模型所支持（Bird，1998；Steinberger等，2001；Tikoff等，2004；Alvarez，2010；Ho?nk等，2011；Sternai等，2014；Menant等，2016；Sternai等，2016；Jolivet等，2018a，Jolivet等，2018b）。

扩展我们的视野到非洲和欧洲的更大尺度，发现新生代的碱性岩浆活动广泛分布于大低剪切速度异常的北北东方向。这种现象表明，碱性岩浆活动可能与裂谷的形成有密切联系，而不仅仅是地幔柱作用的结果。此外，裂谷区域可能对板块边界处的应力变化作出反应，以及岩石圈流变特性的复杂性，这使得区分被动与主动端元变得困难。因此，我们需要综合考虑这些因素，以更全面地理解裂谷的形成机制和动力学过程。

在地幔结构方面，从埃塞俄比亚延伸至东部安纳托利亚的岩浆系统位于一个独特的下地幔S波速度异常（见图9，异常A）之上，其形状呈现拐弯特征，当它到达红海时方向发生变化，再次沿着阿拉伯板块的西边界变化（Faccenna等，2013；Schaeffer和Lebedev，2013；Celli等，2020a；Celli等，2020b；Hua等，2023）。这对应于一个更大速度异常的上地幔扩展，该异常从下地幔上升。这种异常的形成可能与地幔对流引起的基底侵蚀有关，从而在非洲岩石圈底部形成热点和克拉通（见图9）。

在地幔结构与岩浆活动方面，ECRIS通常与碱性岩浆活动相关联，但裂谷的一些部分或时期记录了无岩浆的主动扩展，这支持了没有地幔柱或地幔柱是扩展结果而非原因的模型（Merle和Michon，2001；Michon和Merle，2001）。这种现象表明，地幔柱与裂谷之间的相互作用可能并不总是直接的，特别是在某些裂谷系统中，岩浆活动可能由其他地质过程引发。

从地幔结构、地形和绝对运动的角度来看，图16和图17显示这些低S波速度异常与板块的绝对运动方向、ECRIS和EAR裂谷系统、非等静压地形的特征以及火山省的方向一致。Celli等（2020a、2020b）展示了非洲岩石圈底部的详细三维S波层析成像模型，这些模型揭示了热点和克拉通的分布，由于地幔对流引起的基底侵蚀（见图9）。如图16所示，这些热地幔通道可能与裂谷形成过程中发生的重力势能变化有关。

在地震各向异性方面，图17b和图18展示了SKS波方位各向异性快速轴的系统性方向，与东非裂谷和主要埃塞俄比亚裂谷的长轴平行，随后稍微偏斜于红海，最终与阿拉伯板块的西边界标志着的利万特断层平行。这种观察结果长期以来被用来推断裂谷动力学（例如Kendall等，2006的总结）。通常，部分熔融的影响被认为至少与裂谷形成的某些机制有关，如岩浆活动的增强和裂谷区域的地形变化。

Burov和Gerya（2014）利用三维热力学-机械数值模型研究了地幔柱与岩石圈的相互作用。他们发现，即使远场的扩展应力较弱，也能控制裂谷的几何形态，并且地幔柱物质在裂谷过程中从地幔柱头部流动出去。Koptev等（2018）表明，裂谷的几何形态（宽或窄）取决于受影响岩石圈的流变分层。这些研究为理解裂谷的形成提供了新的视角，表明裂谷不仅仅是地幔柱作用的结果，也可能受到其他地质过程的影响。

通过东非裂谷和非洲板块的例子，我们提出了一种概念模型，解释了裂谷形成于与大陆板块绝对运动方向平行的地质环境。传统的裂谷概念认为裂谷方向与下方地幔流动方向垂直，如原始海底扩张假说（Hess，1962）所示，且裂谷通常在二维剖面中显示为与扩张方向平行。大西洋裂谷属于这一类别，其形成与地幔柱作用密切相关。然而，东非裂谷的情况则挑战了这一传统观点，因为碱性火山活动在约45百万年前开始，这比主要裂谷和埃塞俄比亚陷阱的形成早了15百万年。

综上所述，本文通过整合地质、地震层析成像、地震各向异性以及非等静压地形等多方面的数据，探讨了东非裂谷和欧洲新生代裂谷系统的演化过程，并进一步推广到其他裂谷系统。我们注意到这两个裂谷系统之间的一些相似性和差异，其中主要的相似性是它们的走向均与所在板块的绝对运动方向一致，并且与正的非等静压地形异常方向一致。这些发现表明，裂谷的形成可能不仅仅是地幔柱作用的结果，而是受到多种地质因素的共同影响。因此，我们需要综合考虑这些因素，以更全面地理解裂谷的形成机制和动力学过程。