近年來，以中國科學院院士趙國春為(wei) 學科帶頭人的西北大學地質學係超大陸學科團隊聚焦造山帶演化與(yu) 超大陸重建、古地磁超大陸重建、超大陸演化過程數值模擬與(yu) 大數據G-plates重建以及大陸演化的生命環境協同效應四個(ge) 核心科學問題開展了係統研究。

　　近期，團隊成員姚金龍教授等人與(yu) 澳大利亞(ya) 莫納什大學Peter Cawood教授團隊開展合作，所取得的最新成果可以從(cong) 板塊構造演化的角度為(wei) 解答地球為(wei) 什麽(me) 能夠演化成適宜人類居住的星球，又是什麽(me) 在推動地球環境持續改善、推動生命出現與(yu) 不斷進化的一些疑惑。

　　相關(guan) 成果發表在新出版的《自然·通訊》雜誌上。

　　板塊構造可謂推動地球時空演化的引擎 

　　“地球能夠演化成生命星球，這有其必然性，必然中也有無數的偶然。最重要的必然性就在於(yu) 地球上存在板塊構造。”趙國春如是講。

　　板塊構造作為(wei) 統領地球科學領域的方法論，認為(wei) 地球表層大小不一、為(wei) 數不多的岩石圈塊體(ti) 在軟流圈之上相對運動，板塊構造驅動地球表生圈層與(yu) 深部物質、能量循環，決(jue) 定碳、氧、磷、鐵等關(guan) 鍵生命元素的循環，富集人類賴以生存的資源能源，並且釋放地球內(nei) 部的熱量，是維係地球係統的中樞與(yu) 紐帶。

　　但板塊構造並非地球與(yu) 生俱來，約46億(yi) 年前開始，從(cong) 熾熱岩漿海到殼幔分異形成軟蓋層或停滯蓋層構造（前板塊階段），到以熱俯衝(chong) 、淺俯衝(chong) 為(wei) 特點的早期板塊構造階段，到俯衝(chong) 活動可能相對停滯的地球中年期，再到以大陸深俯衝(chong) 為(wei) 標誌的現代板塊構造，經曆了漫長的地質年代旅程。趙國春進一步闡述說：“可以說占據了地球曆史的大部分時間。板塊構造每一個(ge) 階段對應著地球表生圈層的不同演化階段。”

　　正如文章所述，毫無疑問，板塊構造是決(jue) 定地球表生圈層演化的一級動力學，可謂推動地球時空演化的引擎。

　　現代板塊構造的啟動與(yu) Mariana型大洋初始俯衝(chong) 的出現可能是同步 

　　新元古代中期—寒武紀（~8.5億(yi) -5億(yi) 年前）是地球曆史上的關(guan) 鍵轉換時期。在這一時期，發生了一係列具有裏程碑意義(yi) 的重大事件，包括現代板塊構造啟動、岡(gang) 瓦納大陸聚合、大氣第二次增氧、埃迪卡拉紀和寒武紀兩(liang) 次生命大爆發等。

　　因此，穿越這一階段，地球深部過程和表生氣候、環境與(yu) 生物逐漸接近現今地球，地球實現了“脫胎換骨”。“但這一階段的具體(ti) 細節，比如現代板塊構造啟動時間與(yu) 動力學機製、岡(gang) 瓦納大陸古地理重建與(yu) 造山精細過程、地球深部構造過程如何驅動氣候環境生命變遷與(yu) 演化、表生過程的建立對深部過程的反饋效應等，一直不甚明確，學界處於(yu) 不斷爭(zheng) 論中。”趙國春說，“也是我和我們(men) 團隊一直的研究方向。”

　　目前地質學界認定：板塊構造重要的鑒定標誌是蛇綠岩和高壓變質岩，其中蛇綠岩是保留在大陸上的大洋岩石圈殘留，是古大洋曾經存在的直接證據。此外，板塊構造要求有穩定的俯衝(chong) ，且俯衝(chong) 作用要具有全球性，即全板塊尺度。

　　姚金龍和團隊部分成員在青藏高原北緣、塔裏木南緣的阿爾金造山帶厘定出了大型的蛇綠岩套即木拉布拉克蛇綠岩，並通過研究發現該蛇綠岩地幔—地殼端元和橄欖岩中的礦物均記錄了從(cong) 大洋中脊（MORB）向俯衝(chong) 帶上盤（Supra-subduction zone, SSZ）演化的二元演化過程，展示其為(wei) Mariana型初始俯衝(chong) 蛇綠岩（又稱IBM型，Izu–Bonin–Mariana）。同時，他們(men) 在蛇綠岩中發現大量大理岩和深海沉積相的紅色矽質岩。

　　他們(men) 通過分析研究，總結出位於(yu) 岡(gang) 瓦納大陸北緣的眾(zhong) 多東(dong) 亞(ya) 陸塊所記錄的地質事件時空變化規律，提出原特提斯洋的主體(ti) 洋盆初始俯衝(chong) 發生在約5.3~5.2億(yi) 年前，這一事件與(yu) 岡(gang) 瓦納古大陸南緣、西緣的俯衝(chong) 帶板片回撤相對應。因此，在5.3~5.2億(yi) 年前發生了一期全球範圍內(nei) 的構造聯動事件。

　　此外，該團隊通過對全球已知的Mariana型的蛇綠岩進行歸納總結，結合該型蛇綠岩成因動力學模擬結果，發現地幔溫度是控製板塊構造演化和該型蛇綠岩形成的關(guan) 鍵性因素。

　　據此，他們(men) 提出二者由同一變量控製，建立了二者之間的聯係，即認為(wei) 現代板塊構造的啟動與(yu) Mariana型大洋初始俯衝(chong) 的出現可能是同步的。

　　在岡(gang) 瓦納大陸聚合階段、5.3億(yi) -5.2億(yi) 年前現代板塊構造建立 

　　5.3~5.2億(yi) 年前的全球構造聯動，以及多項同期地質現象與(yu) 化學指標的變化，如溫度壓力（T/P）比值、鋯石Hf-O同位素演化趨勢、被動陸緣數量、低T/P比的超高壓變質岩大量出現、海水Sr同位素比值等，表明5.3億(yi) ~5.2億(yi) 年前是地球演化曆史上的一個(ge) 重要裏程碑。 

　　“但必然有一種一級地球動力學過程從(cong) 根本上推動了這些。”姚金龍認為(wei) 。

　　姚金龍等發現，這些地質現象與(yu) 化學指標均指示俯衝(chong) 活動的顯著增強。綜合多個(ge) 地質與(yu) 化學指標以及板塊構造的特征與(yu) 識別標誌，他們(men) 團隊首次提出在岡(gang) 瓦納大陸聚合階段、5.3~5.2億(yi) 年前現代板塊構造建立這一觀點。

　　這一觀點對國際上提出的新元古代現代板塊構造啟動這一認識進行了進一步的推動與(yu) 擴展。

　　“現代板塊構造的建立和全板塊的深俯衝(chong) 極大促進了地球深部與(yu) 表層物質和能量的交換效率，造成地球降溫，並顯著促進了地殼物質的再循環，是促進晚新元古代—寒武紀期間表生圈層劇變、促進現代地球建立的一級驅動力。”姚金龍補充介紹。

　　大氣圈的持續增氧為(wei) 埃迪卡拉紀、寒武紀生命大爆發提供必要的條件 

　　該團隊注意到國際上最新研究成果表明俯衝(chong) 帶富水沉積物是控製板塊構造的另一個(ge) 因素，能有效保持俯衝(chong) 體(ti) 係的穩定。

　　姚金龍等認為(wei) ，現代板塊構造啟動與(yu) 建立，導致板片特別是大陸的深俯衝(chong) ，這與(yu) 新元古代晚期以來地球上超高壓變質的大量出現是一致的。

　　姚金龍指出例證，西北大學劉良教授團隊在阿爾金造山帶發現了約5億(yi) 年前的超高壓變質記錄，記錄的壓力可達斯石英相，壓力約8~9Gpa，表明當時俯衝(chong) 深度達到300公裏。

　　根據地殼均衡補償(chang) 理論，山根越深，山脈必然越高，之前有研究也表明岡(gang) 瓦納聚合過程中形成的造山帶長度超過8000公裏，所以無論是海拔高度還是規模，當時地球上的造山帶是史無前例的。這樣的巨型造山帶，能夠極大提升大陸的風化剝蝕作用，為(wei) 俯衝(chong) 帶提供了大量的沉積物。姚金龍闡述：“這些俯衝(chong) 帶的富水沉積物又能提高俯衝(chong) 速率，保持俯衝(chong) 作用乃至全球板塊構造的穩定。”“這表明板塊構造的演化存在內(nei) 驅動力，內(nei) 驅動力又會(hui) 隨著俯衝(chong) 帶沉積物消耗、俯衝(chong) 帶‘饑餓’而降低。”

　　“俯衝(chong) 帶饑餓”是指俯衝(chong) 帶缺少沉積物補償(chang) 的意思。趙國春解釋。

　　為(wei) 此，文章作者們(men) 認為(wei) ，岡(gang) 瓦納大陸聚合過程中現代板塊構造的啟動與(yu) 建立，形成了全球範圍內(nei) 多階段的超大規模造山帶，多階段的超大規模造山剝蝕為(wei) 大洋提供了豐(feng) 富的Fe、P等營養(yang) 物質，促進了藍藻等海洋植物的光合作用，釋放出大量自由氧，造成大氣持續增氧。與(yu) 此同時，大規模的大陸剝蝕作用埋藏了有機碳和黃鐵礦，起到了有機碳封存的作用，阻止了其對大氣自由氧的消耗。

　　此外，他們(men) 還認為(wei) 作為(wei) 板塊構造組成部分的大陸弧是大氣CO2的主要來源。現代板塊啟動建立過程中，大陸弧規模不斷提高，這個(ge) 過程對大氣增氧和地球溫度提升也起到了積極作用，其對表生圈層演化的貢獻不容忽視。

　　因此，該團隊認定，板塊構造通過兩(liang) 方麵過程促進了新元古代—早古生代大氣圈第二次增氧事件（NOE）；大氣圈的持續增氧為(wei) 埃迪卡拉紀、寒武紀生命大爆發提供了必要的條件。

　　相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24422-z

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的活動和科普好物！