《 Understanding Earth 》（ 5 th Edition ） 是世界著名出版公司 W. H. Freeman and Company （ New York ） 出版的教材（封面见下图）。 . . 四个编者是来自世界著名大学的著名科学家： Prof. John Grotzinger, California Institute of Technology Prof. Thomas H. Jordan, University of Southern California Prof. Frank Press, The Washington Advisory Group ( 原 MIT 教授，原美国科学院院长 ) Prof. Raymond Siever, Harvard University 该教材内容丰富，涉猎地球科学各个领域，图件十分精美，得到广泛赞誉。但是，该教材第一部分第二章板块构造（ Part 1 Chapter 2 Plate Tectonics ）有个说明"陆 - 陆会聚"插图（下图）有点问题。 . . . . (上图是原图,下图引自某教授未经说明的原图修改图) 海内外同学 ： 如果你专门学过“板块构造学”，你能指出上面原图或(和)修改的图的失误（至少会引起误解）吗？ 一般来讲： 如果你是本科生，能指出失误，说明你学得很棒！ 如果你是硕士生，能指出失误，说明你学得合格。 如果你是博士生，能指出 失 误，那完全应该。 如果你是教授，不能指出失误而照本宣科，说明你需要进修板块构造学。 必须说明， 即使你能指出， 并不能说明你的水平比编者高、知识面广， 因为那仅仅是编者非特长领域的失误。人世间有 谁是万能的圣人呢 ?
陆下地幔金刚石包体指示威尔逊旋回始于 30 亿年前 Steven B. Shirey Stephen H. Richardson （周春银翻译） 导读：威尔逊旋回是板块构造理论中重要的概念之一，在各种经典教科书中均有对威尔逊旋回的详细介绍。但是板块构造在地质历史时期中是从什么时间开始的，或者说板块是什么时候开始形成的，目前还比较缺乏相关的证据。地质学中对样品的地球化学特征（包括年代学）以及相关演化过程的解析是一项非常困难的事情，但是对古老的地质演化过程我们不得不依靠地球化学方法。科学家通过对来自典型克拉通地区的密封性极好的金刚石中的包体进行地球化学和年代学研究，捕捉到了一些有关板块生长形成的信息，对板块构造威尔逊旋回起到了一定的约束和说明。这一成果发表在最新一期的《 Science 》杂志上。 《 Science 》原文链接： http://www.sciencemag.org/content/333/6041/434.full 原文补充材料： http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/333/6041/434/DC1 PDF 文档下载： 2011-Science-Start of the Wilson Cycle at 3 Ga Shown by Diamonds from Subcontine.pdf 另外同期还有一篇介绍此文的短文，建议读者一起阅览和了解： http://www.sciencemag.org/content/333/6041/413.full 短文下载： 2011-Science-Onset of Plate Tectonics.pdf 摘要：密封在金刚石中的矿物包体是最古老、最深源和最原始的地幔样品。它们可以提供超过 3.5 Ga 以来的年代和地球化学信息——其跨度包括大陆地壳生长、大气圈的烟花和板块构造的开始。我们通过分析这些硅酸盐和硫化物包裹体的同位素和总体化学数据发现在 3.0 Ga 前有一个化学成分变化。在 3.2 Ga 前只有橄榄岩质的金刚石包体形成，但是 3.0 Ga 后榴辉岩质的金刚石包体则比较普遍。我们认为，经历过俯冲和大陆碰撞的陆下地幔中所捕获的这些榴辉岩及金刚石成形流体的相关信息，标志着板块构造威尔逊旋回的就位开始。 （引自 Kranendonk,2011, Science . http://www.sciencemag.org/content/333/6041/413.full ） Schematic cross sections of ( A ) early Earth (3 Ga) and ( B ) young Earth (3 Ga), showing different modes of crust formation. On early Earth, crust formed in two settings (see enlargement): (i) over upwelling hot mantle, where it formed thick crust with a depleted keel of peridotitic subcontinental lithospheric mantle (SCLM); (ii) over areas of down going mantle, where oceanic lithosphere was imbricated and extensively melted to form high-grade gneiss terrains. On young Earth with larger plates, whole-mantle convection generated steep subduction zones and the return of oceanic lithosphere to the mantle. Crust grew via subduction-generated arc magmatism and at hot spots. Subcretion of oceanic lithosphere to the base of continents resulted in SCLM with mixed peridotitic and eclogitic compositions. 板块构造体系包括大陆碎块在地表的分散和重聚过程，也就是威尔逊旋回（ Wilson cycle ）（ 1-3 ），它形成了超大陆、地壳生长、造山作用、地壳年龄省的分布和成矿作用。这一基本的、多幕次旋回在地质历史时期不断重复，它从前寒武纪一直到现在的活动在地壳岩石中的地质记录非常清楚（ 2-6 ）；但是威尔逊旋回的起始时间却仍不确定。 金刚石中的矿物包体，形成于由稳定大陆地壳即克拉通构成的古老岩石圈地幔倒转体（ keel ），可以从深部大陆岩石圈提供有关威尔逊旋回的信息。岩石圈宏体金刚石，通过流体参与碳酸盐还原或甲烷氧化作用（ 7 ），与前寒武纪地质年代学研究结果是一致的，并在 125-175 km 深度保持了数十亿年（ 8 ）。主要由硅酸盐和硫化物所组成的矿物包体，形成于或平衡于金刚石生长过程中并被密封在金刚石中，始终保持密封而不受广泛的交代作用的影响（ 9 ， 10 ），而交代作用则始终影响着岩石圈。金刚石带着其密封的包裹体通常会被后期中生代 - 新生代金伯利火山作用所捕获，并作为金伯利岩中的捕虏晶被带到地表（ 8 ）。 我们分析了来自 5 个古大陆（澳大利亚、卡普瓦尔、西伯利亚、 Slave 和津巴布韦（ 11 ））的金刚石中所有 4287 个硅酸盐包体和 112 个硫化物包体数据，这些地区已经有过许多的地质年代学研究（ 12-14 ）。每个矿物组可以通过其组成来区分。橄榄岩质的包体与地幔橄榄岩相似，而榴辉岩质包体则与地壳中的变质基性岩相似。橄榄岩质硅酸盐包体，根据前人部分熔融实验主量元素的亏损程度，可以进一步细分为方辉橄榄岩质的或二辉橄榄岩质的。 通常，大陆岩石圈的某些具体部分可以通过研究来自同一金伯利岩管的金刚石组来探究。硅酸盐包体，只有在通过组合（ combining ）后如多个金刚石矿物颗粒，才适合于运用 Sm-Nd 同位素体系分析，而单独的来自一个金刚石的硫化物包体则适合于运用 Re-Os 同位素体系分析。因此，要确定一个固定地区多期金刚石形成时期的完整分布受到组合包体的限制，尤其是对于榴辉岩质包体和运用 Sm-Nd 同位素体系来说（ Fig.1A ）。利用金刚石来研究威尔逊旋回的关键问题是，由于会掺入大陆岩石圈地幔（ SCLM ），它们会产生来自对流地幔包体组分的孤立年龄。对于硅酸盐包体来说，它可能比金刚石结晶年龄更古老 500-1500 百万年，但是对硫化物包体来说，仅仅比金刚石结晶年龄更古老 10-100 百万年（ 11 ）。 榴辉岩质硅酸盐包体组合给出的 Sm-Nd 等时年龄为 1-2 Ga ，而橄榄岩质硅酸盐包体组合给出的等时或模式年龄为 1.9-2.4 Ga （ Fig.1A ）。来自轻稀土元素（ LREEs ；低 147 Sm/ 144 Nd ）富集的原岩的大多数榴辉岩质和所有橄榄岩质硅酸盐包体组合，至少对于橄榄岩质包体而言，指示两期亏损以及紧随其后的 LREE 富集碱性 - 碳酸盐交代作用。相对榴辉岩质硅酸盐包体而言，橄榄岩质硅酸盐被包裹密封于更低的初始 Nd 同位素成分（ Fig.1A ）；而且，橄榄岩质硅酸盐包体的地幔萃取年龄比榴辉岩质硅酸盐包体古老得多。大多数含榴辉岩质硅酸盐包体的金刚石形成于 2.2 Ga 之后，但是他们的原岩在大约 3.0 Ga 开始从对流地幔中分离出来，而橄榄岩质硅酸盐包体原岩则始于古太古代。 Fig. 1 ( A ) Silicate inclusion initial Nd isotopic composition versus Sm-Nd age for diamonds of peridotitic (circles), lherzolitic (triangles), and eclogitic (diamonds) parageneses. Solid symbols are isochron studies for composites of garnet and clinopyroxene grains; open symbols are model age studies for composites of garnet only. Unlabeled points on convecting mantle curve are mantle extraction ages extrapolated from labeled points ( 11 ). ( B ) Sulfide inclusion initial Os isotopic composition versus Re-Os age. Solid symbols are isochron studies; open symbols are model age studies for single grains. For isochron studies, mantle extraction ages extrapolated from labeled points are typically 100 million years (one scale division) older than the isochron age ( 11 ). In (A) and (B), WC 1-2 denotes Wilson cycle rifting (stages 1 and 2) for the Pilbara craton ( 6 ); WC 5-6 denotes Wilson cycle continental closure (stages 5 and 6) for the Kaapvaal craton. Locality abbreviations are given in table S1. 单独的硫化物包体 Re-Os 等时或模式年龄分析（ Fig.1B ）显示太古代和元古代是金刚石形成的只要时期。尽管这与硅酸盐包体情形一样，但是硫化物包体与地质事件联系更加具体，因为硫化物和金刚石原岩的 Re-Os 比存在着直接关系，如果硫化物是从形成金刚石的 C-O-H-S 流体中结晶出来的（或直接与其平衡）。作为一个例外，榴辉岩质硫化物形成于比橄榄岩质硫化物具有更高初始同位素组成的原岩。橄榄岩质硫化物的等时和地幔模式年龄比榴辉岩质硫化物的更古老。橄榄岩质硫化物包体原岩通常起始于古太古代；只有非常稀少橄榄岩质硫化物形成于更早时代。更重要的是，古太古代时期含榴辉岩质硫化物的金刚石还没有形成。 Fig. 2 Sulfide inclusions compared using measured Re and Os abundance in parts per billion (ppb) and grouped by age. Fertile mantle abundances from ( 34 ) are for whole-rock peridotites. Field labeled AP encloses data for sulfides in present-day abyssal peridotites ( 35 ). 硫化物包体的成分随年龄不同而变化（ Fig.2 ）。元古代和太古代（ 3 Ga ）硫化物包体具有榴辉岩质或玄武质 Re/Os 比（ 2- 30 ），而部分元古代包体趋向于典型的富集地幔的低 Re/Os 比。太古代（ 3 Ga ）硫化物包体具有橄榄岩质的 Re/Os 比（ 0.01-0.03 ），在图中形成具有高 Os 含量、典型亏损陆下地幔低 Re/Os 比的一个组。没有发现高榴辉岩质 Re/Os 比的古太古代硫化物包体。古太古代硫化物具有低 Re/Os ，因为它们是在地幔萃取作用之后的残余物地幔橄榄岩中结晶出来的，而地幔萃取足以会将其 Re 浓度降低至 10 ppt 以下。比 3 Ga 更年轻的硫化物具有更高的 Re/Os ，因为它们是地幔的玄武岩或金伯利岩熔融产物结晶出来的（ Fig.2 ）。 硫化物包体的类型也随着年龄而变化；橄榄岩质硫化物主要产于 3.2 Ga 以前而并未见榴辉岩质包体，但是在 3.0 Ga 以后榴辉岩质硫化物则很普遍（ Fig.1B 和 Fig.3 ）。橄榄岩质硫化物包体的 187 Re/ 188 Os 从古太古代的 ~0.02 升高至元古代 - 显生代的平均 ~1 。榴辉岩质硫化物包体的 Re/Os 始终都高 1-2 个数量级，变化较大，而从中太古代到新元古代则变化不大。 卡普瓦尔克拉通，是由两个单独的大陆板块—— Witwatersran 板块和 Kimberley 板块在 3.1-2.9 Ga 碰撞形成（ 15 ， 16 ），其中太古代组合包含了这里所报道的大部分金刚石样品。随着洋盆的关闭这两个大陆岩石圈板块碰撞在一起，这在两个板块各自的构造热历史中非常明显（ 16 ），可以算是威尔逊最开始定义（威尔逊旋回）的后期（即时期 5 和 6 ）的例子。小部分中太古代榴辉岩在卡普瓦尔克拉通 SCLM 中广泛分布（ 17 ），主要是金刚石中的榴辉岩质硅酸盐和硫化物包体（ Fig.1 ）（ 17 ， 18 ）。这提供了强有力的证据表明， SCLM 中榴辉岩的捕获和参与是通过俯冲作用和大陆碰撞作用产生的，与金刚石形成所需流体的深俯冲是相关的。如果卡普瓦尔克拉通组合可以看作是威尔逊旋回中时期 5 和 6 的例子，那么我们基本认为，如果足够深，包括了威尔逊旋回的大陆碰撞阶段的克拉通地幔倒转应该会记录这一过程。它们应该会在地幔包体样品组合中显示关闭时期的榴辉岩（ 17 ）以及在金刚石样品中显示关闭时期的榴辉岩质硫化物包体（ 18 ）。我们认为，大陆碰撞后 SCLM 中所保存的榴辉岩质物质是威尔逊旋回中大陆地幔的标志。 Fig. 3 Peridotitic (circles) and eclogitic (diamonds) sulfide inclusion 187 Re/ 188 Os (divide by ~3.9 to convert to Re/Os) versus age. Field labeled AP encloses data for sulfides in present-day abyssal peridotites ( 35 ). WC 1-2 and WC 5-6 are as defined in Fig. 1 . 迄今为止所有已研究过的克拉通古太古代金刚石中未见榴辉岩质包体（ Fig.13 ），这比它们在更年轻时期中的富集更加重要。这一观测也得到了三个克拉通中少于 3 Ga 的全岩榴辉岩质包体年龄的支持，这三个克拉通中金刚石和榴辉岩已均被定年。只有一个同位素体系（如 Re-Os ， Sm-Nd 或 Pb-Pb ）的研究得到了大于 3.2 Ga 的榴辉岩年龄。后一个克拉通的金刚石没有定年，但是年龄上存在着较大的不确定性（ 3.4±0.8 Ga ）与 3 Ga 重复较多。 金刚石中古太古代硫化物和硅酸盐包体都是橄榄岩质的和特别亏损的（ 8 ， 19 ）（ Fig.23 ）。尽管 5 个克拉通中有 3 个（澳大利亚、卡普瓦尔和西伯利亚）分别仅有一个这样的硫化物包体代表，但是它们与 Slave 克拉通金刚石组合数据是一致的。在来自两个已深入研究过的 Panda(Ekati) 和 Diavik 金伯利岩管的 59 个含硫化物金刚石样品中，有 13 个是榴辉岩质的，另外 46 个是橄榄岩质的。所有的榴辉岩样品均落在 1.8-2.1 Ga 年龄数据系列上（ 20 ），并且所有样品的初始 Os 同位素比表明榴辉岩是那个时期加入到岩石圈中的（ Fig.1B ）。相反地，所有的橄榄岩质硫化物包体均落在较老的等时线上或 3.3-3.5 Ga 年龄数据洗礼上（ 19 ， 21 ），并具有更低的与这些年龄一致的初始 Os 同位素组成（ Fig.1B ）。 Slave 克拉通地壳组成年龄从 4.0 Ga 至 2.7 Ga （ 2 ， 22 ）。如果威尔逊旋回在古太古代就已经开始运作来聚合这一克拉通，那么我们推测它会以古太古代榴辉岩质硫化物形式留下明显证据，这些样品应该是与古太古代橄榄岩质硫化物和元古代榴辉岩质硫化物伴生的。 来自卡普瓦尔和 Slave 克拉通硫化物包体组合的差异揭示了地球的动力学演化过程中的不同时期，这与威尔逊（ 1 ）利用不同时期发育演化的各个洋盆来揭示完整威尔逊旋回的方法是类似的。比 3 Ga 更年轻的大陆地壳可以作为威尔逊旋回的产物来认识理解。但是，对于比 3.2 Ga 更古老的大陆地壳，我们的研究说明威尔逊旋回并不适用，因为这些应该会加入到大陆岩石圈内的俯冲板片中的榴辉岩质物质丢失了。 Slave 克拉通以及其他克拉通岩石圈地幔金刚石中古太古代榴辉岩包体和榴辉岩质硫化物的缺失，说明它们的大陆核是由非威尔逊旋回过程形成的。 在古太古代，完整威尔逊旋回的缺失并不排除某些形式的再循环或甚至浅部板块俯冲作用。实际上，此时期俯冲作用的地球化学特征已经在大陆地壳（ 23 ， 24 ）、古大陆沉积（ 25 ）、推测的蛇绿岩套（ 26 ）和地球上最古老的基性地壳（ 27 ）所观测到。 Panda 金伯利岩管中金刚石内 Slave 克拉通橄榄岩质硫化物包体以及相伴生的方辉橄榄岩（ 19 ）提高了初始 Os 同位素组成，这可以由某些形式的再循环作用得到很好的解释，但是后来有关 Slave 克拉通橄榄岩质硫化物包体的研究则认为是更深部的、地幔柱相关的成因（ 21 ）。这表明，原先归因于板块构造俯冲作用的富集组成（ 19 ）可能是由小规模的局部作用过程所造成的，这些作用过程将金刚石限制在岩石圈的浅部（ 19 ）并经历了强烈的氧化作用（ 28 ）。我们可以想到洋壳浮力太大而难于产生深俯冲，而陆壳断块则太小而难于在地幔倒转中捕获榴辉岩。此外，诸如洋底高原堆积、生长火山岩管的大规模热液蚀变（ 27 ）、垂直构造（ 29 ）、拆沉作用（ 30 ， 31 ），或类似地幔柱的地幔不稳定体周围的流动（ 32 ， 33 ）等机制，均难于解释地壳的形成和再循环作用。在这种情况下，与其他过程并存的再循环作用，可能局限于没有板块的、局部形成的下降流（ downwellings ），这些下降流由密度或逆流驱动可将含流体的岩体拖拽到一定深度去重熔。威尔逊旋回在 3 Ga 的就位开始应该标志着由这些作用所控制的地壳生长的结束。 References and Notes: 1. ↵ J. 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有关岩石圈强度的相关问题 Some Issues on the Strength of the Lithosphere Shun-ichiro Karato（周春银 译） 《Journal of Earth Sciences》2011年第2期出版了“ Multiple-Scale Geodynamics of Continental Interiors ”专辑，讨论了多尺度大陆动力学研究的相关问题，这也是2010年在中国地质大学（武汉）举行的“多尺度大陆地球动力学国际研讨会”（ International Workshop on Multiple-scale Geodynamics of Continental Interiors ）的论文专辑。 专辑下载地址: Springer： http://www.springerlink.com/content/1674-487x/22/2/ 中国知网： http://en.cnki.com.cn/Journal_en/A-A011-ZDDY-2011-02.htm 笔者选择了国际流变学专家Shun-Ichiro Karato（耶鲁大学）的一篇简短综述并翻译如下，感兴趣的朋友可以参考阅读。 本文PDF文档下载（或者在以上地址专辑中下载）： Some Issues on the Strength of the Lithosphere.pdf 另外，给大家推荐一个Karato2009年的一个幻灯片，讲述的是类似的岩石圈流变学的相关问题，有兴趣的请点击以下地址“另存为”： www.eurispet.eu/docs/Granada/download/Eurispet-Karato.ppt （文件大小12.7M，不便上传，请大家直接下载） 摘要： 大洋岩石圈和大陆岩石圈的强度对于地球上的许多重要地质学过程具有重要的控制作用，包括板块构造的运行机制以及大陆根 (continental roots) 对长期稳定性。但是，根据有关岩石强度的实验和理论研究来解释这些地质学特征仍然具有相当的挑战性，目前有关岩石圈强度的一些现有的模型并不能很好地解释这些重要的地质观测。本文对这些领域内最近的进展进行了综述，并强调了实验研究的重要性。 介绍 岩石圈强度对于地球动力学作用具有重要的影响。有关岩石圈强度方面有两个重要的地质观测需要解释。首先，作为板块构造中的一个关键因素，大洋岩石圈的俯冲作用只有在的当其适当软化时才是可能的，否则地球上就会产生所谓的“ stagnant-lid ”对流模型。其次，根据地球化学研究，大陆根（ ~200-300km ）在 ~30 亿年时间里几乎没有变形过。这要求大陆根相对于周围地幔具有非常高的黏度 (viscosity) 。 但是，利用流变学特征来解释这两个重要观测并不是如此直接的，通常会假设大洋岩石圈是“干”的橄榄石主导的流变学性质以及塑性域为均匀变形，而“湿”的大陆岩石圈模型 (e.g., Kohlstedt et al.,1995, 见 Fig.1) 并不能解释地球动力学方面这两个最重要的问题，即板块构造的运行机制和大陆根的长期存留问题。本综述的目的就是来总结这些重要的结论。有关大陆岩石圈强度更广泛的讨论，请参考 Karato(2010) 文献，大洋岩石圈请参考 Ohuchi et al.(2011) 。 Figure 1. Models of the strength-depth profiles proposed by Kohlstedt et al. (1995). Note that in this model, the peak strength in the oceanic lithosphere exceeds ~600 MPa, while the continental lithosphere is assumed to be “wet” and has weak strength in its deep portion. These two features are inconsistent with the known operation of plate tectonics and the long-term survival of the deep continental roots. 大洋岩石圈强度 大洋岩石圈的强度必须适度以满足板块构造的运行 (e.g. Richards et al.,2001; Tackley, 2000; Solomatov and Moresi,1997) ，对于大洋岩石圈强度的估计及其对板块构造的意义，见 Zhong et al.,1998) 。符合板块构造的大洋岩石圈的临界强度可以根据能量方面的考虑来估计，塑性变形所产生的能力消耗和俯冲作用所释放的重力能是平衡的 (e.g. Conrad and Hager,1999) 。根据重力能释放的相关参数值，符合板块构造的大洋岩石圈临界强度 ( 平均强度 ) 为 ~200 MPa 。如果大洋岩石圈强度超过这个值，对流方式将会是“ stagnant-lid ”对流，这种对流方式被认为在许多其他类地行星上存在，如金星、火星和月球。 有许多方法被用来估计岩石圈强度。 Goetze and Evans(1979) 的开拓性研究引入了“强度包络线” (strength envelope) 的概念，它兼收了浅部的脆性破裂和深部的塑性流动。根据这一指导原则， Kohlstedt et al.(1995) 提出了大洋和大陆岩石圈强度模型。在这个模型中，岩石圈的地幔部分被模拟假设它的强度主要是由橄榄石控制的，并且大洋岩石圈被认为是“干”的 ( 不含水 ) 。在该模型中，变形作用在脆性域 ( 集中于断裂面上 ) 呈局部分布，但是在塑性域变形作用则假设为均匀分布。因此，在脆性域根据摩擦定律 (Beyrlee’s law) ，在塑性域根据稳态变形作用的塑性蠕变强度，来推算出强度剖面。他们的模型显示大洋岩石圈最高强度为 ~600 MPa 或更高。注意他们的模型中在强度峰值附近具有主观不确定的界限 (“cut-off”) 值，如果这一值去掉的话，峰值强度将会超过 1000 MPa 。即使保留这一界限值，该模型中的最高强度对于板块构造的运行来说仍然太高。 已经有大量的研究来解释地球上板块构造的运行机制。关键问题在于为什么实际的大洋岩石圈强度比这样的简单模型所预测的要弱得多。例如， Bercovici 及其研究小组利用一个“破坏” (damage) 模型开展了大量的研究来模拟剪切局部化 (shear localization)(e.g. Bercovici and Richad,2005; Bercovici,2003) 。但是，在他们的研究中一个“破坏”的物理过程并没有很清楚的模拟出来。一个尤其重要的方面就是在动态重结晶中微小颗粒的作用。 Karato(2008) 提出了这样一个两相混合物变形初始模型，但是具体仍需研究，包括重结晶的动力学作用和应力 - 应变分布的作用。 Korenaga(2007) 则提出热破裂 (thermal cracking) 作用可以穿透到大洋岩石圈中 ( 大约 ~20km) 并产生一个软化区。但是深部破裂能否产生仍然不清楚，因为大洋岩石圈内的大部分地震作用都显示压应力状态 (Sykes and Super,1973) 。 最近由 Ohuchi et al.(2011) 的研究表明，在上地幔中含量居第二位的斜方辉石在低温条件下具有更低的强度。这是在几乎“干”的 ( 不含水 ) 斜方辉石中发现的。正如 Karato(2008) 所讨论的，水的软化作用对于斜方辉石来说可能比对橄榄石的作用更强 ( 但是，尽管这一观点还尚未被实验所证实 ) 。当大洋岩石圈在洋中脊位置形成时，由于部分熔融作用其大部分都是缺水的 (Karato,1986) 。部分熔融作用所产生的缺水程度取决于矿物，根据水溶性热动力学模型，我们推测斜方辉石在部分熔融作用之后可能比橄榄石具有更高的含水量 ( 详细讨论见 Dai and Karato,2009) 。因此，在冷大洋岩石圈中，斜方辉石 ( 至少对于那些更加定向的来说 ) 强度估计比橄榄石的低。如果斜方辉石引起上地幔中局部变形作用，那么大洋岩石圈的平均强度将会比由橄榄石主导的均匀变形模型所预测的要低很多。为了解释该模型中大洋岩石圈较弱的强度，需要研究这个由较弱和较强两相所构成的混合物变形时较弱相的作用。尤其是这一较弱相在促进局部变形中的作用需要认真研究。 Fig.2 卡通图显示了较弱的斜方辉石的可能作用。这一模型的可行性目前在我的实验室中得到了研究。 Figure 2. Cartoon showing the mechanisms of shear localization in (a) an olivine-dominated case, and (b) a case where weak orthopyroxene promotes connection of weak regions. Weak orthopyroxene might help shear localization thereby the operation of plate tectonics possible. Experimental studies are underway in Karato’s lab to test this hypothesis. oli. Olivine; opx. orthopyroxene. 一个与 Kohlstedt et al.(1995) 模型所预测的大陆岩石圈强度相反的问题由此产生。在这个模型中，深部大陆岩石圈被认为是“湿”的，即水饱和的。在这些条件下，与周围地幔温差不大的深部大陆根 (200km 或更深 ) 将会比周围地幔黏度低，而且相应地，深部大陆根不会在对流侵蚀 (connective erosion) 中保留下来 (e.g. Lenardic and Moresi,1999; Shapiro et al.,1999) ，而这与地球化学观测是不一致的 (e.g. Carlson et al.,2005) 。 Figure 3. A diagram illustrating the range of uncertainties if only low-pressure data are used to estimate the viscosity of the deep upper mantle under “wet” conditions (from Karato, 2010) (V*wet is the activation volume of wet olivine). At low pressures (0.5 GPa), the fugacity effect dominates and viscosity is reduced with pressure. At high pressures (1 GPa), the activation volume term can also be important for a reasonably large activation volume. Both effects need to be characterized, but the activation volume effect can be determined only from data at pressures exceeding ~1 GPa. If only data below ~0.5 GPa are used, activation volume (V* wet ) is unconstrained that leads to large uncertainties in estimating the viscosity in the deep upper mantle. 在深部上地幔条件下，变形局部化是不太可能的，这集中在近稳态条件下岩石的蠕变强度。同样在高温条件下斜方辉石会比橄榄石强度高。因此，深部上地幔的强度是由稳态条件下橄榄石的强度所代表的。有两个问题是认识深部上地幔流变学的关键。这就是压力和水对流变学性质的影响作用。 Karato(2010) 综述了最近有关水和压力对橄榄石流变学性质的影响作用的研究，并讨论有关深部大陆根存留的关键问题。有个解释深部大陆根长期稳定性的模型假设，当大陆岩石圈形成时，由于大范围的部分熔融作用它是缺水的。如果这是实际情况，那么由于含水量的差异，大陆根将具有相当的强度 ( 相对于周围富水的地幔 ) 。实际上，正如 Carlson et al.(2005) 的综述，有大量证据显示存在大范围的部分熔融作用以及由此所形成的氢 ( 水 ) 和其他不相容元素的亏损。但是，要定量确定水在变形中的作用并不是一件容易的事，能够运用到深部上地幔的结果直到最近才获得 (Kawazoe et al.,2009; Karato and Jung,2003) 。关键问题是，能够外推到深部上地幔条件 (50km) 的有关水和压力作用的实验结果必须是在超过至少 ~1GPa 的高压条件下完成的 (Karato and Jung,2003) 。来自高分辨率 Paterson 装置 0.5GPa 条件以下的结果，如 Mei and Kohlstedt(2000a,b) ，并不能直接外推到岩石圈或软流圈主体部分条件下，因为水的热动力学性质在大约 0.5GPa 会有重大改变 (Fig.3) 。 Hirth and Kohlstedt(2003) 根据低压下 (0.5GPa) 获得的实验数据讨论了一直到 ~300km 深部的上地幔流变学特征，并利用随机选择的活化体积值将数据外推到高压条件下。正如 Karato(2010) 所强调的，在 Kawazoe et al.(2009) 研究之前活化体积值并不十分清楚 ( 对“干”橄榄石所报道的活化体积值从 ~0 到 ~27cm 3 /mol 不等 ) ，因此 Hirth and Kohlstedt(2003) 的论点缺乏物理基础支持。在估计深部上地幔中缺水对岩石强度影响作用时，压力对缺水岩石强度改变的影响作用同样也需要估计。这样的研究需要新技术来定量研究在类似深部上地幔的高温高压条件下的流变学性质。最近在同步辐射 X 光设施上利用 RDA(rotational Drickamer apparatus) 开发的新技术， Kawazoe et al.(2009) 在温压分别高达 ~10GPa 和 ~2000K 条件下确定了“干”橄榄石的流变学性质，结合 Karato and Jung(2003) 有关“湿”橄榄石的研究，我们提出了深部上地幔流变学性质的定量模型 (Karato,2010)(Fig.4) 。 Figure 4. The influence of water-depletion on the change in viscosity (from Karato, 2010). The yellow region shows the likely water contents in the typical oceanic asthenosphere in the continental margin. V* dry is the activation volume of dry olivine. If V* dry is larger than ~10×10 -6 m 3 /mol, and if the water content in the continental roots is as low as shown by an orange region in this figure, the viscosity contrast between the continental roots and the surrounding deep upper mantle is large enough to maintain the deep continental roots undeformed for billions of years. The recent experimental study by Kawazoe et al. (2009) showed that V* dry =(15–20)×10 -6 m 3 /mol, but the water content in the deep continental root is controversial. For more detailed discussion, see Karato (2010). 以上这些研究表明了新技术的开发对于研究地球深部流变学性质的重要性 (e.g. Karato and Weidner,2008) 。在这里必须强调，尽管在低压下 (0.5GPa) 获得了高精度的数据，但是这些低压下的数据并不能直接外推到 ~50km 以下的上地幔中，因为水的热动力学行为在大约 0.5GPa 时会有重大改变。同样，一些矿物如斜方辉石只有在超过 0.5GPa 压力条件下 ( 在相对高温条件下 ) 保持稳定。除了技术开发之外，我们仍需要更好的剪切局部化理论模型来认识大洋岩石圈的强度，在那里局部变形决定了它的强度。 参考文献 ： Bercovici, D., 2003. The Generation of Plate Tectonics from Mantle Convection. Earth and Planetary Science Letters, 205(3–4): 107–121 Bercovici, D., Ricard, Y., 2005. Tectonic Plate Generation and Two-Phase Damage: Void Growth versus Grain-Size Reduction. Journal of Geophysical Research, 110(B3), doi: 10.1029/2004JB003181 Carlson, R. W., Graham-Pearson, D., James, D. E., 2005. Physical, Chemical, and Chronological Characteristics of Continental Mantle. Review of Geophysics, 43(1), doi: 10.1029/2004RG000156 Conrad, C. P., Hager, B. H., 1999. The Thermal Evolution of an Earth with Strong Subduction Zones. Geophysical Re-search Letters, 26(19): 3041–3044 Dai, L. 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美国地震学家/板块构造先驱者Jack Oliver于2011年1月5日在美国去世，享年87岁（September 26, 1923 January 5, 2011）。他的去世是世界地球物理学界和地质学界的重大损失。 他31岁（1953年）毕业于哥伦比亚大学地球物理专业。他长期致力于地震学的研究，最终提供地震证据支持了板块构造理论。1968年（45岁）他和他的学生在美国《地球物理杂志》（JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH）发表了题为Seismology and the New Global Tectonic的文章（ PDF下载 ),这篇45页的文章带来了地学革命性的进展。 这篇文章没有在《科学》，《自然》上发表，Jack Oliver还不是第一作者，同样让他成为板块构造的先驱者。 Jack Oliver生平：http://en.wikipedia.org/wiki/John_Ertle_Oliver http://www.mssu.edu/seg-vm/bio_jack_e__oliver.html
一位中国学者及其合作者对地学领域一个长期争论不休的重大问题（西北太平洋边缘海起源和演化）进行了十年磨一剑的研究，将研究成果（约110页两篇文稿）应约寄给牛津大学（University of Oxford）教授P. England, 他给了一个总体评价（注：约定时他很忙，但他承诺能给个总体评价。约一个月后他给了这个评价）: ......Having said that, I found the papers to be very well written, and to present a coherent and convincing view of the tectonic history of the region. Prof. England 是当今最伟大的欧亚大陆板块构造研究专家之一。虽然他评阅文稿的时间仓促和对文中涉及众多重要问题的每个新思想评价不一定都十分在行，但仍然能体现他专业上的高水准，他的评价是一针见血的，体现在关键词 coherent （前人的研究是在一个错误的大前提下，把许多重要问题孤立的研究，得出非常复杂的、杂乱的认识）。中国学者的研究再次证明真理常常是简单的。这个评价应该是历史性的。但必须说明，这个重大问题并没有彻底解决（在边缘海演化重建方面还有工作需要进一步深入），现在大约完成了80分左右， 如果彻底解决是100分的话。 欢迎对这个评价和有关问题继续讨论和质疑。 . . 相关联接： http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=378190 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=355397 和 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=260500 http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=378190
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