西北大学地质学系

我系通过蛇绿岩揭示冈瓦纳大陆聚合过程中现代板块构造与现代地球系统的建立

地球是全人类赖以生存的唯一家园,也是广阔宇宙中已知的唯一宜居星球,承载着全人类和地球上其它所有生命体的希望和未来。那么为什么唯独地球能够演化成适宜人类居住的星球?又是什么在推动地球环境持续改善,推动生命出现与不断进化?西北大学地质学系超大陆研究团队的姚金龙教授和赵国春教授等部分团队成员与澳大利亚莫纳什大学Peter Cawood教授团队开展合作,所取得的最新成果可以从板块构造演化的角度为我们解答一些疑惑。

地球演化成已知唯一生命星球的关键内动力是什么?

地球能够演化成生命星球,这有其必然性,必然中也有无数的偶然。最重要的必然性就在于地球上存在板块构造。板块构造作为统领地球科学领域的方法论,认为地球表层大小不一、为数不多的岩石圈块体在软流圈之上相对运动,板块构造驱动地球表生圈层与深部物质、能量循环,决定碳、氧、磷、铁等关键生命元素的循环,富集人类赖以生存的资源能源,并且释放地球内部的热量,是维系地球系统的中枢与纽带。

1 地球内部圈层结构示意图

但板块构造并非地球与生俱来,自约46亿年前开始,从炽热岩浆海到壳幔分异形成软盖层或停滞盖层构造(前板块阶段),到以热俯冲、浅俯冲为特点的早期板块构造阶段,到俯冲活动可能相对停滞的地球中年期,再到以大陆深俯冲为标志的现代板块构造,经历了漫长的旅程,占据了地球历史的大部分时间。板块构造每一个阶段对应着地球表生圈层的不同演化阶段。毫无疑问,板块构造是决定地球表生圈层演化的一级动力学,可谓推动地球时空演化的引擎。

2 地球多圈层演化指标随时间变化规律

地球是什么时候开始向现代地球系统演化的?

新元古代中期-寒武纪(~8.55亿年前)是地球历史上的关键转换时期,在这一时期,发生了一系列具有里程碑意义的重大事件,包括现代板块构造启动、冈瓦纳大陆聚合、大气第二次增氧、埃迪卡拉纪和寒武纪两次生命大爆发等。因此,穿越这一阶段,地球深部过程和表生气候、环境与生物逐渐接近现今地球,地球实现了“脱胎换骨”。但这一阶段的具体细节,比如现代板块构造启动时间与动力学机制、冈瓦纳大陆古地理重建与造山精细过程、地球深部构造过程如何驱动气候环境生命变迁与演化、表生过程的建立对深部过程的反馈效应等,一直不甚明确,处于不断争论中,有些过程的因果关系甚至成为“鸡与蛋”的问题。

板块构造重要的鉴定标志是蛇绿岩和高压变质岩,其中蛇绿岩是保留在大陆上的大洋岩石圈残留,是古大洋曾经存在的直接证据。此外,板块构造要求有稳定的俯冲,且俯冲作用要具有全球性、即全板块尺度。姚金龙教授和团队部分成员在青藏高原北缘、塔里木南缘的阿尔金造山带厘定出了大型的蛇绿岩套(木拉布拉克蛇绿岩),通过研究发现该蛇绿岩地幔-地壳端元和橄榄岩中的矿物均记录了从大洋中脊(MORB)向俯冲带上盘(Supra-subduction zone, SSZ)演化的二元演化过程,展示其为Mariana型初始俯冲蛇绿岩(又称IBM型,Izu–Bonin–Mariana),并在蛇绿岩中发现大量大理岩和深海沉积相的红色硅质岩。通过分析研究,团队总结出了位于冈瓦纳大陆北缘的众多东亚陆块所记录的地质事件时空变化规律,提出原特提斯洋的主体洋盆初始俯冲发生在约5.3-5.2亿年前,这一事件与冈瓦纳古大陆南缘、西缘的俯冲带板片回撤相对应,因此在5.3-5.2亿年前发生一期全球范围内的构造联动事件。此外,团队通过对全球已知的Mariana型的蛇绿岩进行归纳总结,结合该型蛇绿岩成因动力学模拟结果,发现地幔温度是控制板块构造演化和该型蛇绿岩形成的关键性因素,据此提出二者由同一变量控制,建立了二者之间的联系,认为现代板块构造的启动与Mariana型大洋初始俯冲的出现可能是同步的。

3 冈瓦纳大陆北缘-南缘地质事件汇总

4 530-520 Ma 冈瓦纳古大陆重建与周缘俯冲体系分布

作为现代地球系统演化一级驱动力的现代板块构造何时建立?

5.3-5.2亿年前的全球构造联动,以及多项同期地质现象与化学指标的变化,如温度压力(T/P)比值、锆石Hf-O同位素演化趋势、被动陆缘数量、低T/P比的超高压变质岩大量出现、海水Sr同位素比值等,表明5.3-5.2亿年前必然是地球演化历史上的一个重要里程碑,但必然有一种一级地球动力学过程从根本上推动了这些。研究人员发现这些地质现象与化学指标均指示俯冲活动的显著增强。综合多个地质与化学指标以及板块构造的特征与识别标志,团队首次提出在冈瓦纳大陆聚合阶段、5.3-5.2亿年前现代板块构造建立这一观点,对国际上提出的新元古代现代板块构造启动这一认识进行了进一步的推动与扩展。现代板块构造的建立和全板块的深俯冲极大促进了地球深部与表层物质与能量的交换效率,造成地球降温,并显著促进了地壳物质的再循环,是促进晚新元古代-寒武纪期间表生圈层剧变、促进现代地球建立的一级驱动力。

从板块构造的角度,不同圈层如何相互作用,板块构造又是如何驱动地球表生过程变迁?

团队注意到国际上最新研究成果表明俯冲带富水沉积物是控制板块构造的另一个因素,能有效保持俯冲体系的稳定。现代板块构造启动与建立,导致板片特别是大陆的深俯冲,这与新元古代晚期以来地球上超高压变质的大量出现是一致的,比如,西北大学刘良教授团队在阿尔金造山带发现了约5亿年前的超高压变质记录,记录的压力可达斯石英相,压力约8-9 Gpa,表明当时俯冲深度达到300公里。根据地壳均衡补偿理论,山根越深,山脉必然越高,之前有研究也表明冈瓦纳聚合过程中形成的造山带长度超过8000公里,所以无论是海拔高度还是规模,当时地球上的造山带是史无前例的。这样的巨型造山带,能够极大提升大陆的风化剥蚀作用,为俯冲带提供了大量的沉积物。这些俯冲带的富水沉积物的又能提高俯冲速率,保持俯冲作用乃至全球板块构造的稳定,这表明板块构造的演化存在内驱动力,内驱动力又会随着俯冲带沉积物消耗、俯冲带“饥饿”而降低。冈瓦纳大陆聚合过程中现代板块构造的启动与建立,形成了全球范围内多阶段的超大规模造山带,多阶段的超大规模造山剥蚀为大洋提供了丰富的FeP等营养物质,促进了蓝藻等海洋植物的光合作用,释放出大量自由氧,造成大气持续增氧;与此同时,大规模的大陆剥蚀作用埋藏了有机碳和黄铁矿,起到了有机碳封存的作用,阻止了其对大气自由氧的消耗。此外,作为板块构造组成部分的大陆弧是大气CO2的主要来源。现代板块启动建立过程中,大陆弧规模不断提高,这个过程对大气增氧和地球温度提升也起到了积极作用,其对表生圈层演化的贡献不容忽视。因此,板块构造通过两方面过程促进了新元古代-早古生代大气圈第二次增氧事件(NOE)。大气圈的持续增氧为埃迪卡拉纪、寒武纪生命大爆发提供必要的条件。

5. 现代板块构造体制的建立及其与地球表生环境变化的联动机制

相关成果以“Mariana type ophiolites constrain establishment of modern plate tectonic regime during Gondwana assembly”为题,发表在《自然·通讯》杂志(Nature Communications)。西北大学地质学系和大陆动力学国家重点实验室为第一单位和通讯单位。

Yao, J.L. *, Cawood, P.A., Zhao, G.C. *, Han, Y.G., Xia, X.P., Liu, Q., Wang, P., 2021. Mariana type ophiolites constrain establishment of modern plate tectonic regime during Gondwana assembly. Nature Communications 12, 4189.

 

您所在的位置:首页 > 学科团队 > 超大陆 >