最新研究表明了地球和火星板块构造过程之间存在重大差异。地球板块构造是在全球范围内运行的，所有主要的板块运动在动力上都与地球固定的热点格局有关。而火星与地球不同，它的板块仅仅表现出原始的形态，其运动不是全球性的，而是局部性的。

塔希思隆起（Tharsis rise）的位置及其邻近的主要地形特征（引自Yin, 2012b）。火星上明显的二级地貌特征是塔希思隆起，它切穿北部低地和南部高地之间的边界。图中也显示了四个最大的火星冲击盆地：贺拉斯、乌托皮亚、艾斯迪斯和阿盖尔。

具体地说，火星的板块构造过程表现在一个3500 km 宽，6000 km长条带地区。

塔希思隆起地图及叠加位置图。（A）塔希思隆起地图，其中标明了文中提到的地名。（B）塔希思隆起的在北美周同样比例尺的叠加位置图（引自Yin, 2012b）。

在这里，板块运动的形式是板片回转，并且这个过程已经持续了35亿年。这个回转过程所影响的总面积仅占火星面积的25%，而其余地区则是稳定的。据推测，大约在40亿年前整个内太阳系经历了一次巨大的碰撞( bombardment) 时期，其中一次大撞击事件产生了巨厚火山沉积( >10 km)，沉积物向下的压力造成火星原始岩石圈的破裂以及局部板块俯冲，通过撞击坑的统计及其火星岩石单元年龄的指示，火星主要走滑断层移动速度大约平均为50mm/Ma。相反，地球上主要的转换断层，如美国西北部圣安德里亚断层则以平均50mm/a 的速度运动，这几乎比火星上的要高出三个数量级。这表明，在火星上通过多个局部板块的对流造成统一(coalesced) 的板块体系速度是极其缓慢的。

塔希思隆起的形成模式（据Yin, 2012b）。（A）阿盖尔撞击在撞击盆地的北西边缘产生溅射堆积和火星壳的加厚。（B）倾斜的撞击在溅射区域产生熔体的富集。（C）加厚火星壳的载荷造成岩石圈的弯曲和在隆起外缘的张应力的集中。（D）火山沉积物的积累造成了向下弯曲和在火山堆积物下面的张应力。（E）在火山堆积物的加载和熔体的迁移之间的正补偿（feedback）进一步增加了岩石圈的弯曲。（F）火山堆积物的载荷最后压断了下方的岩石圈，并使其陷进火星幔。随着板块向下运移，它的空间被年轻的火星壳所替代，这种壳是由于地幔上涌充填裂缝所形成的。（G）在俯冲板块中水的出现使镁铁质壳向榴辉岩的快速转变得到了保证。厚的榴辉岩化镁铁质壳为俯冲提供了额外的驱动力。此时，应该发生了快速的板块反卷（rollback），这在火星幔的上升过程中再次产生了大量的熔体，从而导致了在表面的火山喷发和地下年轻的火星壳的形成。（H）较冷的火星幔容许俯冲的板块到达核幔边缘。冷而强硬的板块可能停顿形成一个停止定的俯冲体系。（J）暂时的停止俯冲板块由于连续热力的减薄（weakening）最后折断了岩石圈，新的榴辉岩化镁铁质壳将再次驱动俯冲作用。

三维断块示意图（引自Yin, 2012b）。说明了跨过塔希思隆起的俯冲系统的可能构成。此图关键特征是俯冲型式在塔希思的蒙特斯-乌拉诺伊斯（Montes-Uranius）和奥林帕斯的蒙斯-阿尔巴（Mons-Alba）环形火山链之间的沿走向的变化。北部低地在塔希思的蒙特斯和奥林帕斯的蒙斯下面岩石圈发生大规模（whole-scale）的俯冲，那里是阿尔巴和乌拉诺伊斯环形山火山中心下初始北部低地岩石圈中脱层的火星幔岩石圈发生俯冲的地方。这种结构要求奥林帕斯的蒙斯和塔希思蒙特斯是由火星幔明显增加水的熔融造成的，当时在阿尔巴和乌拉诺伊斯环形山下因在（板块）快速迁移和火山链的重建过程中压力释放发生熔融。在正文中看查看详细信息。注意，尽管塔希思隆起是在海沟快速后撤中岛弧岩浆作用和弧后岩浆作用产生的年轻火星壳控制的，但是在构造省中存在塔希思之前的基地碎块，这些构造省已经极大地扩张，侵入了年轻同塔希思时代的侵入岩。

既然在太阳系形成的早期阶段地球和火星具有相同的演化历程，观察到的火星板块过程应可以作为了解在整个地球历史中板块构造如何引发和发展的指南。

板块俯冲的启动和早期地球全球板块体系的示意图（引自Yin, 2012b）。（A）在后巨大撞击期中的撞击事件可能产生由于板块反卷诱发的孤立俯冲体系的条板（strip）。在条板俯冲体系之外地区可能受火星幔柱（plume）及其产生的玄武岩高地的影响，相关地堑（graben）结构在粉红色区域标示出来。（B）俯冲带的伸长最后弧-弧碰撞和更大板块的形成。注意，转换断层和三联点可能在这个过程中形成了。（C）弧-弧碰撞可能导致新的俯冲带的产生，这在悬挂壁中圈定了（bound）一个更大的板块。（D）在反转板块导致的弧和玄武岩台地之间的碰撞终止了图中右边撞击诱发的俯冲带。同时，在图左边长的俯冲带则继续发展。

为什么有些岩石质行星存在板块构造，而另外一些则不存在？

假如在火星和地球上板块构造已经运转，那么是什么使这两个行星如此特别呢？一种可能的解释（insight）源于考虑两种可能的影响因素：（1）壳的俯冲性能，和（2）启动板块俯冲的机制。假如大的撞击作用是折断岩石圈造成最初的板块俯冲的话，那启动板块构造的问题就变成在遭受巨大的撞击下岩石质行星壳是否可俯冲性的问题。如Yin（2012）的解释，在巨大撞击晚期控制板块构造是否被启动的关键因素是：（1）在这个时间壳的厚度，（2）决定行星幔岩石圈厚度的冷却速度。

就像在地球和火星板块构造所启示的，对于一个行星，在遭受撞击时，它的壳越薄、冷却速度越高，对通过撞击作用启动板块构造就越有利。

本文由刘四旦摘编自翟明国、肖文交主编《板块构造、地质事件与资源效应———地质科学若干新进展》一书中尹安《火星板块构造及其对早期地球板块构造启动的启示》一文。《板块构造、地质事件与资源效应———地质科学若干新进展》所述的科学问题都是当前地质科学的前沿问题。 最近20 年来，我国地质界以及身居海外的华裔学者对地质科学重大和前沿问题的研究已大大提升了地质科学的水平和中国在这个领域的国际地位， 本书的许多作者都是为此做出卓越成绩的贡献者和群体的重要成员， 他们以广阔的视野展现了当代地质科学相关领域的新面貌和新进展: 从火星的板块构造到地球板块构造的俯冲带、造山带、克拉通……从前寒武纪重大地质事件、白垩纪大洋红层到第四纪冰期， 既涉及地质科学的重大基础理论，也涉及资源、能源、环境面临的挑战和未来发展战略。

目 录

从地学大国走向地学强国(序)

▓ 尹安，火星板块构造及其对早期地球板块构造启动的启示

▓ 牛耀龄，俯冲带形成､后撤和板块构造动力学的一些基本概念和全新解释

▓ 周新华、张宏福，中国华北大陆岩石圈转型与熔/流体交代作用

▓ 李正祥，华南大地构造演化综述

▓ 蔡克大、孙敏、袁超、肖文交、龙晓平，中国阿尔泰造山带地质格架与古生代构造演化

▓ 高俊、龙灵利、钱青、王信水，中亚造山带古生代大陆地壳生长的两阶段模型——以西天山为例

▓ 肖文交、韩春明、袁超、孙敏、Shoufa Lin、陈汉林、厉子龙、李继亮、孙枢，新疆北部古生代复合增生造山作用与中亚大陆侧向增生

▓ 翟明国，前寒武纪重大地质事件与华北克拉通早期构造演化

▓ 王成善、胡修棉，白垩纪大洋红层与富氧事件

▓ 程海，冰期之终止

▓ 王清晨，造山带隆起剥蚀过程与沉积记录

▓ 罗晓容、张立宽、雷裕红，油气成藏动力学研究方法与应用

▓ 车长波、杨虎林、朱杰、张道勇、刘成林，我国油气资源潜力与发展前景

▓ 秦克章、唐冬梅、苏本勋，造山带岩浆铜镍硫化物矿床: 研究进展与展望

▓ 孙卫东、丁兴、凌明星、李贺、李聪颖、周继彬、杨晓勇、王光杰，西太平洋板块俯冲与中国东部晚中生代成岩成矿

▓ 孙卫东、李贺、丁兴、凌明星、李聪颖，“俯冲工场” 研究进展

▓ 董树文、姜建军、谭永杰、陈宣华、熊嘉育、叶锦华、李三忠、王成善、余际从，我国地质工作与地质科学发展战略思考

非经授权，请勿转载

转载请留言或联系：（010）64000159

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质   学术价值   原创好读   科学品味