近日，学院花君临特任教授，联合德克萨斯大学奥斯汀分校等单位的研究人员，通过地震波成像，发现北美大陆克拉通岩石圈正在发生减薄，且位于下地幔的法拉龙板块俯冲提供了该过程的主要驱动力。这是全球范围内首次发现正在进行的大范围克拉通减薄事件。相关成果以“Seismic full-waveform tomography of active cratonic thinning beneath North America consistent with slab-induced dripping”为题，于北京时间2025年3月28日在线发表于《自然-地球科学》（Nature Geoscience）。

  拉通是大陆岩石圈的核心，主要形成于15-30多亿年前，并占据地球陆地一半以上的地区。相比其它区域，克拉通常表现出超过200 km厚度的岩石圈，一般认为其在几十亿年的构造历史中可以保持稳定。然而，一些克拉通却曾出现岩石圈的部分减薄乃至大规模破坏，其中的典型代表就是华北克拉通，其东部岩石圈在侏罗纪-白垩纪曾发生大规模拆沉破坏，并伴有火山活动。因此，理解克拉通减薄和破坏的背后机制对进一步认识岩石圈的演化规律十分关键。

图1 (a)/(b)剪切波速度结构剖面，克拉通岩石圈（200 km深度以上大范围高速体）的下方也存在高速异常。(c)300-500 km深度平均波速异常，黑色虚线内为被剥离的高速异常。(d)/(e)高速异常体的组分和温度异常，可见其相对低温且有更多类克拉通组分。

  北美大陆有着广泛的克拉通分布，且普遍保留有200 km左右厚度的岩石圈，是研究克拉通行为理想场所。由于地震波在地下的传播过程会受到介质弹性性质（波速）的直接影响，通过分析地震波数据可以解析当前波速的地下三维分布特征。研究团队利用前沿的地震波全波形成像技术，通过拟合计算机三维波场模拟得到的合成地震图与实际地震观测，获得了该地区0-1000 km深度范围内的高精度三维波速结构模型。研究结果显示，在美国中西部大约150万平方千米的区域内，在克拉通岩石圈底部到地幔过渡带的深度范围内（约200-600 km），存在大量高波速异常体。通过基于矿物物理学模型的分析，本研究发现这些高速体相较周围地幔含有更高的克拉通岩石圈组分，可能代表从上方克拉通剥离出的物质。

图2 (a)存在下地幔法拉龙板块俯冲时，300-500 km地幔的垂直流动速度，黑色虚线（高速异常）区域向深部流动。(b)计算所用密度剖面，来自独立的全球地震成像，下地幔存在高密度法拉龙板块。(c)/(d)与(a)/(b)类似，但去除了高密度法拉龙板块，(a)中向深部运动的地幔流消失。

  在此基础上，研究团队通过地球动力学数值模拟发现，下地幔法拉龙板块的俯冲可能是驱使该剥离事件的主要原因。法拉龙板块是位于太平洋洋中脊另一侧的古大洋板块，朝东向北美大陆深部俯冲，目前其主要部分已在地表消失，然而在地幔深部，尤其是下地幔之中，其俯冲板片仍在下沉。本研究通过动力学模拟发现，尽管这些下地幔俯冲结构不与岩石圈直接相连，但其导致的大尺度地幔对流会对上方地幔包括岩石圈底部产生强烈的拖拽力，导致物质向深部移动，而该向下拖拽作用的空间分布与地震成像所得到的高速异常体分布高度一致。与此同时，该大尺度对流还会在更大的空间范围内对岩石圈底部施加水平剪切力，致使这些远处的岩石首先被活化，然后被水平地幔流运移至俯冲板片上方，最终在此处拖拽作用下进入深部地幔。因此，该作用的实际影响范围可能达到400万平方千米。除此之外，法拉龙板块俯冲在地幔过渡带释放的水等挥发分可能也导致了克拉通底部的弱化，进而促使此类克拉通减薄过程的发生。此外，值得一提的是，尽管此类减薄可以在百万年的时间尺度上导致岩石圈发生变化，但其并不会对当今岩石圈在短期内产生任何显著影响。

图3 北美克拉通减薄过程概念图。(a)早期挥发分释放等过程可能导致了克拉通底部的弱化。(b)下地幔俯冲作用导致了克拉通底部物质的剥离和岩石圈的减薄。

  综上所述，该研究（1）得到了北美地区的高精度三维地幔波速结构；（2）发现了上地幔中剥离自克拉通岩石圈的高速异常体；（3）揭示了下地幔板块俯冲是驱动北美克拉通岩石圈减薄的主要原因。该研究首次提出该区域正在发生大范围岩石圈减薄，并为有关克拉通减薄的讨论提供了新的可能性机制。

论文第一作者和通讯作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院花君临特任教授，主要合作者包括德克萨斯大学奥斯汀分校Stephen Grand教授和Thorsten Becker教授，以及南方科技大学的祝贺君教授。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-025-01671-x