和許多類地行星相同，地球長期演化的主控因素是地幔溫度，地幔潛溫（potential temperature）長期降低（secular cooling），改變著地球內部物質的密度、強度和相態，這使得早期板塊構造的方式可能與現今不同。西澳大利亞是世界上已知最古老也是儲存最好的克拉通地區之一，特別是其西北部分記錄了從太古代到元古代的複雜演化歷史，是認識早期板塊構造動力學過程和機制的理想場地。然而，西北澳大利亞也是世界上人煙最稀少的大陸地區之一，同時由於廣袤的顯生宙大沙沙漠（Great Sandy Desert）的覆蓋，學術界對西北澳大利亞克拉通的形成與演化歷史一直未獲得有效基礎證據，甚至連克拉通拼合的年代和縫合帶位置都沒有確切的認識。
為理解早期板塊構造動力學，中國科學院地質與地球物理研究所聯合澳大利亞麥考瑞大學和西澳大利亞地質調查局於2017-2019年跨越Pilbara克拉通北緣、Canning盆地、Kimberley克拉通南緣實施了中國-西澳地震觀測計劃（China-Western Australia Seismic Survey，簡寫CWAS）。該計劃是本地區第一條大規模地震臺陣剖面，總長度900公里，共佈設58個三分量寬頻帶地震臺，平均間距為15公里（圖1）。為增大觀測孔徑，同時在西澳邊緣印度洋地區佈設了11臺寬頻帶海底地震儀（CANPASS計劃）。上述兩項實驗獲得了大量高質量連續觀測資料。
圖1 西北澳大利亞地質簡圖以及中國-西澳地震觀測計劃佈設的地震臺陣位置
岩石圈演化國家重點實驗室趙亮研究員、麥考瑞大學袁懷玉研究員和CWAS團隊開展了地震波P波接收函式共轉換點成像、H-k分析、噪音層析成像跨維度反演成像等多種方法研究，獲得了觀測剖面下方的岩石圈頂部結構和物性特徵（圖2）。多物理量約束的高解析度觀測結果揭示了Pilbara克拉通與Kimberley克拉通多階段拼合匯聚遺留的構造特徵，清晰指示了兩個未知的與板塊匯聚有關的傾斜古老上地幔結構：Pilbara克拉通南緣的Moho面延伸至70公里，結合區域地質和年代學限制，推斷為19億年前Pilbara克拉通拼合形成時的大陸深俯衝結構（圖3）；Canning盆地下方則為與13億年前大陸碰撞有關的痕跡，只可見岩石圈最頂部的殘留速度結構。
圖2 剖面下方岩石圈頂部多種地震成像方法結果。(a)H-k方法獲得的地殼厚度；(b)H-k方法獲得的Vp/Vs比值；(c)P波接收函式共轉換點成像； (d)噪音成像跨維度反演獲得的橫波速度結構
圖3 根據最新地震學結果提出的西北澳大利亞形成的多階段演化模型
CWAS剖面揭示的兩個未知匯聚邊界具有明顯不同的命運：古元古代的俯衝結構被較好保留，中元古代的碰撞結構卻被後期構造改造。這種差別是否反映地球長期演化的秘密？帶著這個問題，研究團隊對比了全球前寒武和顯生宙兩個時期大陸深俯衝帶結構（圖4a），發現：（1）前寒武和顯生宙兩個時期大陸碰撞帶Moho面幾何形態（俯衝角度、深度）存在統計上的顯著差異（圖4b）, 前寒武的大陸俯衝帶平均傾角小，深度較淺，而顯生宙俯衝帶則平均傾角大，能俯衝的深度深；（2）全球範圍內前寒武的俯衝結構保留最多，而顯生宙基本只有新生代時期尚未被後續構造活動影響的大陸深俯衝結構能被保留。推斷這樣的特徵可能反映了兩個關於地球長期演化的規律：（1）Columbia超大陸形成時期地幔潛溫可能降低到大陸岩石圈具有深俯衝的強度，因此可以解釋本時期全球大陸俯衝帶廣泛發育的觀測事實；（2）古元古代地幔潛溫依然很高，使得大陸板塊碰撞介面的含水礦物能更高效脫水，因此俯衝邊界岩石圈強度能快速癒合（healing），造成大陸碰撞帶邊界儲存好。在顯生宙隨著潛溫的進一步降低，岩石圈強度進一步加強，大陸深俯衝的角度和深度都在增加，然而大陸板塊碰撞介面含水礦物能長期儲存，因此俯衝介面無法有效癒合，這使得後期的構造作用很容易破壞俯衝結構。
圖4 全球大陸深俯衝結構特徵對比。(a)全球前寒武（右半部分）和顯生宙（左半部分）兩個時期大陸深俯衝結構Moho面幾何形態的對比；(b) 全球前寒武和顯生宙兩個時期大陸深俯衝角度和深度的統計對比；(c)全球大陸深俯衝帶年代分佈以及與地幔勢潛溫（potential temperature）演化曲線
研究成果近期發表於國際學術期刊Earth Planetary Science Letter（趙亮*, Tyler I M*, Gorczyk W, Murdie R E, Gessner K, Lu Y J, Smithies H, 慄婷姿, 楊建鋒, Zhan A, 萬博, 孫寶璐, 袁懷玉*. Seismic evidence of two cryptic sutures in Northwestern Australia: Implications for the style of subduction during the Paleoproterozoic assembly of Columbia[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 579: 117342. DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117342）。
美編：陳菲菲
校對：覃華清
