超大陸旋迴

具有現代大陸輪廓的盤古大陸地圖

超大陸旋迴(Supercontinent cycle)描述的是地球的大陸地殼準周期性的聚合和分離。對於地球的大陸地殼的總量是增加、減少還是維持不變，有種種不同的觀點，但是有一點是各家都認同的，即大陸地殼在持續不斷地發生改組。大陸碰撞造成了數量更少但面積更大的大陸，而大陸漂移造成了數量更多但面積較小的大陸。距今最近的超大陸——盤古大陸——形成於3億年前。在它之前的超大陸—潘諾西亞大陸，或叫岡瓦納大陸——形成於6億年前，其分裂後形成的碎塊最終碰撞形成了泛大陸。但在潘諾西亞之前，兩次超大陸的時間間隔變得十分沒有規律。例如，在岡瓦納之前的超大陸羅迪尼亞大陸存在於約11億年至7.5億年前，距岡瓦納的形成僅有1.5億年。再往前的超大陸哥倫比亞大陸存在於約18億年至15億年前。再往前的超大陸叫凱諾蘭大陸，存在於約27億至21億年前。超大陸烏爾大陸存在於約30億年前，而超大陸瓦巴拉大陸則存在於約38億至36億年前。總體來看，一次完整的超大陸旋迴將歷時3億至5億年。

超大陸旋迴假說在某些方面是威爾遜循環的改進。威爾遜旋迴是以板塊構造論的先驅約翰·圖佐·威爾遜的名字命名的、描述海盆周期性的擴張和閉合的假說。因為最老的洋底只有1.7億年的歷史，而大陸地殼上最老的部分已有40億年或更多的歷史，所以有必要對那些記錄在大陸上的久遠得多的行星的律動做出強調。

描述

提議的一系列超大陸到現代的簡化表示

對海平面的影響

• 現已知道，在第一級周期的層面上，當大陸聚合時，海平面較低，而當大陸分離時，海平面較高。因此，在泛大陸形成（二疊紀）和大岡瓦納形成（晚新元古代）的時候，海平面較低，而當它們分裂時（前者在白堊紀，後者在奧陶紀），海平面就快速上升。

• 一級海平面是由洋底的年齡控制的。洋殼所處的深度($d$)與它的年齡($t$)呈簡單的函數關係：

$d(t)=2500+(350t^{\frac {1}{2}})$

式中，$d$的單位是米(m)，而$t$的單位是百萬年(ma)。因此，中洋脊處剛形成的洋殼處於大約2500 m深的地方，而年齡為1億年的老洋殼則處於大約6000 m深的深度。

就像浴缸中的水位會隨入浴者的身材大小不同而不同一樣，海平面是由洋底的深度控制的（在此忽略了由冰川冰和溫室效應引發的複雜因素）。洋底深度和海平面也因而有如下的關係：

若地球上水的質量($M$)是一個等於$K_{1}$的常數，那麼

K₁ = M(海水) + M(淡水) + M(冰川) + M(大氣水)

我們可以忽略M(淡水) + M(大氣水)，則

K₁ = M(海水) + M(冰川)

對於一個無冰的地球來說：

V(海水) = K₁/(海水的平均密度)

又有V(海水)=A·d，其中V(海水) 是充填在洋盆中的水體體積，等於${\displaystyle }$，其中$A$是洋盆的面積，$d$是洋盆的平均深度。$d$由洋底的平均年齡決定。

$A$在大陸分裂或大陸碰撞時會發生改變，前一情況下大陸被拉伸，使$A$減少並使海平面上升，後一情況下大陸被壓縮，使$A$增加，海平面下降）。海平面上升之後，海水會淹沒大陸，而海平面下降則使大陸架暴露出水。

因為大陸架的坡度很緩，海平面很小的上升就可以導致大陸有相當大比例的部分被淹沒。

如果全球大洋平均來說比較年輕，那麼洋底會相對較淺，因此海平面會較高。如果全球大洋平均較老，那麼洋底會相對較深，因此海平面會較低，而使大陸的更多部分露出海面。

因此，在超大陸旋迴和洋底的平均年齡之間，有一個相對簡單的聯繫：

• 超大陸 = 大面積的古老洋底 = 低海平面
• 分離的大陸 = 大面積的年輕洋底 = 高海平面

超大陸旋迴的氣候效應則進一步加大了這種差距：

• 超大陸 = 大陸性氣候為主 = 大陸冰期較易出現 = 更低的海平面
• 分離的大陸 = 海洋性氣候為主 = 大陸冰期不易出現 = 海平面不會因此機制而降低

與全球構造的關係

隨着超大陸旋迴的進行，構造期也發生更替。

在超大陸的解體期間，張裂環境的面積最大。之後，一部分張裂環境轉為被動邊緣環境，與此同時，洋底繼續擴張，大洋增生。接着，碰撞環境開始不斷發展，隨着時間的推移，越來越占據主導地位。最先的碰撞發生於大陸和島弧之間，但最終會導致大陸-大陸碰撞。在古生代超大陸旋迴中已經觀察到了這一過程，在中生代-新生代超大陸旋迴中，這一過程還在進行，正在人們的觀察之中。

與氣候的關係

全球氣候有兩種類型：冰室(Icehouse)和溫室(Greenhouse)。

冰室以頻繁的大陸冰期和嚴酷的沙漠環境為特徵。我們現在正處於一個向溫室演化的冰室階段。溫室則以溫暖的氣候為標誌。這二者都可以對超大陸旋迴有所反映。

• 冰室氣候
  • 大陸會聚
  • 由于洋殼缺乏增生，海平面下降
  • 氣候變冷干
  • 伴隨有文石海
  • 形成超大陸

• 溫室氣候
  • 大陸分離
  • 海平面升高
  • 海底擴張大規模進行
  • 大洋裂谷區產生較大量的二氧化碳
  • 氣候變暖濕
  • 伴隨有方解石海

冰室氣候的時期：新元古代的大部，晚古生代，晚新生代

溫室氣候的時期：早古生代，中生代-早新生代

與生物進化的關係

進化的根本機制是多樣性種群中的自然選擇。生物多樣性是隔離的結果。當大陸會聚時（一個大洋，一個大陸），隔離的程度較輕，生物的多樣化程度也較輕。從晚新元古代到早古生代，當後生動物的爆炸式進化發生時，大岡瓦納的解體造成了海洋環境的隔離。大陸和海洋的南北向排列導致了比東西向排列多得多的隔離和多樣性。由此形成了被水面或陸地隔開的、與不同的氣候帶相融合的生物區，區與區之間還有南北向的生物聯繫通道。假若同樣的大陸和洋盆在形成的時候是東西向排列的，那麼就會導致少得多的隔離、生物多樣化和較慢的進化。在新生代，由于洋盆和大陸的南北向排列，同樣出現了最大程度的隔離。

以科的數目衡量的生物多樣性的變化周期，和超大陸旋迴有很好的吻合。

參見

• 盤古大陸
• 板塊構造論
• 地球歷史

參考文獻

• Gurnis, M., 1988, Large-scale mantle convection and the aggregation and dispersal of supercontinents: Nature 332:695-699
• Murphy, J. B., and R. D. Nance. 1992. Supercontinents and the origin of mountain belts. Scientific American 266(4):84-91
• Nance, R. D., T. R. Worsley and J. B. Moody. 1988. The supercontinent cycle, Scientific American, 259(1):72-79

外部連結

• Plate reconstruction movies from UTIG 'PLATES' project （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）