摘要
克拉通记录了大陆岩石圈形成的早期历史，但它们如何成为地球上岩石圈中最持久的部分仍然未知1．在此基础上，我们提出了大量熔融耗尽的克拉通岩石圈地幔(CLM)的形成机制及其向稳定克拉通演化的机制。数值模型显示，在伸展的岩石圈下，热的早期地幔发生了大规模的减压熔融，在岩石圈深处，熔融萃取留下了大量的枯竭地幔。脱水，更硬的地幔抵抗进一步的变形，迫使应变迁移和冷却，从而将耗尽的地幔同化到岩石圈中。应变局部化和强化之间的负反馈使大量耗尽的CLM长期弥散扩展和就位。低压下CLM的形成及其更深层次的再平衡再现了受深度-温度条件约束的太古代岩石圈演化过程1，2，而大程度的耗竭3.，4和熔体体积5与较低岩石圈强度的模型最吻合。在这些条件下，板块构造是可行的6，7，热化学分异有效地阻止了边缘的生成和形成:裂谷和岩石圈俯冲是短暂的，并作为残余结构嵌入冷却的CLM中，再现了在太古代克拉通中发现的循环和再加工环境8，9．尽管岩石圈在持续约5亿年的早期阶段经历了主要的融化和广泛的循环，但模拟的岩石圈逐渐分化和稳定，然后循环和再加工变得断断续续。早期主要的熔化和再循环事件解释了原始冥古宙岩石圈和地壳的产生和损失10而后来的稳定和间断性改造为太古代大陆克拉通的形成提供了背景4，8．
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确认
我们感谢T. Gerya, C. Herzberg和G. Pearson对手稿的评论。我们感谢澳大利亚研究委员会资助FT170100254(给F.A.C.)和FL160100168(给P.A.C.)。我们感谢澳大利亚政府支持的国家计算基础设施(NCI)提供的资源和服务。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
F.A.C.和O.N.设计了这些模型。联邦航空管理局实施并进行了数值模拟。所有作者都对该手稿有贡献。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Taras Gerya、Claude Herzberg和D. Graham Pearson对本工作的同行评审所作的贡献。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图2大洋中脊的现代地幔潜在温度的地幔绝热和不同含水量随深度的粘度。
左图为当前的潜在温度和不同含水量的干、湿固相度，以及饱和水地幔，参考文献。37．右，湿(虚线)，干(实粗线)和湿-干过渡(细黑线)的粘度。灰色为本研究中所用的有效粘度。粘度是用背景应变率计算的\(\点{\ varepsilon} = {10} ^ {-15} \, {{\ rm{年代}}}^ {1}\)．
扩展数据图4不同厚度、损耗分数、密度对比和流变性的岩石圈地热，早期类地地幔势温。
左边，地热(半空间冷却)再现了厚岩石圈变薄的效果(洋红色)变成更薄的(蓝色和靛蓝色)。细线用于干燥和水饱和固体。在裂陷过程中，岩心的耗竭程度和体积随着变薄而增大，并逐渐变浅。右，裂陷期间岩石圈的黏度随着变薄而增加，因为产生了更大的熔融并嵌入机械边界层。细线为粘度η0, 10η0, 102η0和103.η0对于随温度变化的粘度η（T)以及与温度和消耗有关的粘度η（T，F)．塑性粘度为ηY对于岩石圈的屈服和\({\埃塔}_ {{\ rm {Y}}} ^ {{\ rm {C}}} \)做面包皮。粘度计算采用σ0岩石圈和背景应变率= 50 MPa\(\点{\ varepsilon} = {10} ^ {-15} \, {{\ rm{年代}}}^ {1}\)．
图5含消耗依赖流变的热化学边界层和热边界层与岩石圈厚度的强度比。
测试的潜在温度是现在的，TP= 1300°C，与早期地球相似，TP= 1,560°c。
图6初始绝热温度分布。
一个， Ra = 10对流500 Myr后的模型配置7．洋红色表示地壳。b，水平平均温度。地壳(洋红色)由等温线定义T= 330°C(垂直线;看到方法剖面“初始条件”)选择的地壳平均厚度为20公里。虚线表示中给出的放大倍率的下界c．．c，所有模型地温为灰色，平均地温为黑色;区域的放大b以水平虚线和实心垂直线为界。初始条件下的地壳厚度大约在14至35公里之间变化。
扩展数据图7熔体产量和熔体速率随时间的变化。
实线为本文所示模型，虚线为低、中、高三种黏聚力模型(分别为灰色、洋红色和蓝色)粘度截断值较高(短虚线)和较低(长虚线)的模型。
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李国强，李国强，李国强。热化学岩石圈分异与克拉通地幔成因。自然588， 89-94(2020)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-2976-3
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