近日，南方科技大学地球与空间科学系助理教授胡佳顺联合国际学者在Nature Geoscience上发表题为“Dynamics of the abrupt change in Pacific Plate motion around 50 million years ago”的论文，报道了北太平洋区域消失的古板块，及其与太平洋板块运动突然转向及夏威夷-皇帝海山链60度弯折之间的联系。
夏威夷-皇帝海山链位于北太平洋，是一条自西北向东南延伸长达数千公里的火山岛链。Wilson和Morgan等人发现该岛链本质上是太平洋板块在炙热的地幔柱之上水平运动导致的一连串火山，继而促成了板块构造学说之后第二大地学假说——地幔柱构造的建立，奠定了这一岛链在地球科学史上的特殊地位。然而，学界对夏威夷-皇帝海山链的研究尚未完善，集中体现在对其走向在47 Ma（百万年前）发生的60度弯折的机制研究上（图1）。
图1.夏威夷-皇帝海山链及高分辨率全球动力学数值模拟
前人对夏威夷-皇帝海山链弯折的解释存在两派假说。一派认为夏威夷地幔柱不动，太平洋板块运动在47 Ma发生了显著转向，导致了海山链的弯折；而另一派则认为太平洋板块运动未发生显著变化，是地幔柱在47 Ma以前的快速南向漂移及其在47 Ma之后的相对稳定，导致了海山链的弯折。这两种机制的确定对太平洋周边的构造历史、地幔柱的演化规律甚至地球内部动力系统的运行机制都具有重要意义。
经过数十年的研究，地幔柱南向漂移这一假说逐渐得到了古地磁（Tarduno et al., 2003; Bono et al., 2019）和动力学数值模拟（Sternberger et al., 2004; Hassan et al., 2016）的支持。然而，简单的几何学分析发现,太平洋板块运动转向仍然是解释夏威夷-皇帝海山链弯折不可或缺的一部分（Torsvik et al., 2017）。
为了厘清两种机制的相对贡献，胡佳顺及合作者设计了高分辨率全球动力学数值模拟来约束太平洋板块运动转向的幅度，探究其背后的动力学机制。模型使用了自适应网格技术，局部分辨率高达1 km。由于其超大的计算量需求，每个模型需要使用8704个CPU，连续运行十几个小时，才能完成计算。研究发现，基于传统板块重构模型（图2a-c）计算得到的太平洋板块运动未发生明显的转向（图3a），即前人提出的伊豆-小笠原-马里亚纳（IBM）和汤加-克马德克的俯冲起始，伊邪那岐（Izanagi）-太平洋洋中脊的俯冲，或者印度与欧亚大陆的碰撞，均不能解释太平洋板块运动的转向。
图2.北太平洋传统板块重构模型Müller et al. (2016)（a-c）与新板块重构模型（d-f）的对比。
进一步研究发现，北太平洋地区的板块演化历史可能比传统重构模型揭示的更加复杂。Kronotsky 和Olyutorsky 是勘察加半岛的两个增生岩浆弧复合体（图2d-f）。古地磁研究发现它们在晚白垩世仍处于中纬度地区，距离现在位置数千公里远，然后不断向北漂移直到与勘察加半岛碰撞。火成岩定年分析和构造地质研究发现，Kronotsky 和Olyutorsky的火山活动始于晚白垩世，终于始新世，与勘察加半岛的碰撞分别发生在晚中新世和始新世。这些证据表明北太平洋地区在晚白垩世到始新世时间段内曾发生洋内俯冲，而这些增生地块正是洋内俯冲产生的岛弧向北漂移，拼接到勘察加半岛形成的（Vaes et al., 2019）。
胡佳顺及其合作者重构了这一地区的板块演化历史（图2d-f），认为北太平洋地区有一个消失的古板块，Kronotsky板块。47 Ma以前，太平洋板块在Kronotsky板块下的俯冲为太平洋板块的北向运动提供了动力。而在47 Ma，该俯冲带的消失导致了北向驱动力的消失，引发了太平洋板块往西西北方向的偏转。对于该俯冲带消失的原因，一个合理的猜测是夏威夷地幔柱柱头引起的海底高原的俯冲阻塞导致的。胡佳顺等人进一步用高分辨率动力学数值模拟计算了该模型下太平洋板块运动转向的幅度，发现太平洋板块偏转了约30-35度（图3a）。当结合前人得到的地幔柱漂移轨迹之后，计算得到的夏威夷-皇帝海山链的轨迹能基本拟合实际观测（图3b）。据此，胡佳顺等（2022）提出太平洋板块运动转向和夏威夷地幔柱南向漂移共同导致了夏威夷-皇帝海山链的弯折，且两者的贡献大致相同。这一模型的提出完善了北太平洋地区的板块演化历史。在这一模型下，消失的古板块是解决太平洋板块运动转向机制乃至夏威夷-皇帝海山链弯折机制的关键。
图3. （a）太平洋板块运动方位角随时间的变化。IZG-PAC-ridge-SUB代表基于传统重构模型得出的预测，Kronotsky SUB代表基于新的重构模型得出的预测。虚线代表不同观测模型。（b）计算得到的夏威夷-皇帝海山链。红色轨迹为固定地幔柱时由太平洋板块运动导致的海山轨迹，彩色轨迹为夏威夷地幔柱南移轨迹（Hassan et al., 2016），黄色轨迹为预测的夏威夷-皇帝海山链。
该论文的第一作者兼通讯作者是南方科技大学地球与空间科学系助理教授胡佳顺。合作作者包括美国加州理工学院教授Michael Gurnis，美国Argonne国家实验室博士后学者Johann Rudi，纽约大学Courant数学中心教授Georg Stadler和澳大利亚悉尼大学教授Dietmar Müller。该研究得到了美国国家自然科学基金、第六届中国科协青年人才托举工程的资助，以及美国得克萨斯州超算中心TACC的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-021-00862-6
其它参考文献：
1. Bono, R. K., Tarduno, J. A. & Bunge, H.-P. Hotspot motion caused the Hawaiian–Emperor Bend and LLSVPs are not fixed. Nat. Commun. 10, 3370 (2019).
2. Hassan, R., Müller, R. D., Gurnis, M., Williams, S. E. & Flament, N. A rapid burst in hotspot motion through the interaction of tectonics and deep mantle flow. Nature 533, 239–242 (2016).
3. Tarduno, J. A. et al. The Emperor seamounts: southward motion of the Hawaiian hotspot plume in Earth’s mantle. Science 301, 1064–1069 (2003).
4. Steinberger, B., Sutherland, R. & O’Connell, R. J. Prediction of Emperor–Hawaii seamount locations from a revised model of global plate motion and mantle flow. Nature 430, 167–173 (2004).
5. Torsvik, T. H. et al. Pacific plate motion change caused the Hawaiian–Emperor Bend. Nat. Commun. 8, 15660 (2017).
6. Vaes, B., Van Hinsbergen, D. J. & Boschman, L. M. Reconstruction of subduction and back-arc spreading in the NW Pacific and Aleutian basin: clues to causes of Cretaceous and Eocene plate reorganizations. Tectonics 38, 1367–1413 (2019).