研究揭示板块俯冲起始时代的全球性地域差别

来源: 中国科学院地质与地球物理研究所

发布日期: 2022-11-28 17:00:33

研究揭示了板块构造起始时间的全球性地域差别,通过分析太古宙TTG岩浆中的Ba含量变化,发现俯冲作用在不同克拉通的起始时间不同,最早可能在40亿年前开始,最晚在27亿年前开始,表明板块构造的全球联动可能在27亿年之后形成。

板块构造是地球区别于太阳系其他类地行星的主要构造特征。地球是人类和所有已知生命物种的共同家园,其宜居性的建立、改善和长期维持,包括生命活动所需营养物质的循环补给,适宜的大气温度、湿度、氧含量等等,都有赖于板块构造驱动的地球各圈层持续不断的物质-能量交换。板块构造的提出至今已逾半个世纪,尽管已得到了广泛验证和支持,但是仍存在着很多未解之谜。其中,板块构造的起始时间一直是争议最大的热点问题。

根据现今板块构造的地质地球化学研究和地球物理资料,科学家总结出一些板块构造公认的识别标志,包含地球化学特征、高压变质作用、洋壳残片/蛇绿岩、古地磁等方面。这些标志和指标,用来确定显生宙的板块构造是成功的,但是推展到地球早期的太古宙就存在很多不确定性,用来识别和确认板块构造的启动时代,则出现较大的偏差,不同方法给出的板块构造启动时代可以从晚于10亿年到早于40亿年不等。

上述研究给出的板块构造启动时代从晚于10亿年到早于40亿年。这样的差别源于各类标志和指标之间的差异,也由地球早期地质记录不完整导致的特定记录实质上的区域性所致。因此,选择一种普遍发育的地质记录,观察其中板块构造相关指标的变化规律,或许能够获得更明确的认识。

基于上述认识,中国科学院地质与地球物理研究所副研究员黄广宇、研究员Ross Mitchell和研究员郭敬辉联合国际合作者,以太古宙平均玄武岩作为原岩进行了相平衡模拟。结果显示,只有在低温高压的环境下能够形成高Ba含量的TTG岩浆,即只有俯冲环境下才能形成高Ba的TTG岩浆。

通过分析现有的全球不同克拉通的TTG数据库,发现全球的TTG中Ba含量随时间演化,曾出现过3次正向的改变,分别发生在37亿年、31亿年和28亿年左右。进一步检验发现不同克拉通TTG中Ba含量的正向变化时间并不相同。

板块俯冲作用起始时代的地域差异性,受控于很多因素,包括岩石圈的厚度、地幔的温度、岩石圈地幔和软流圈地幔的密度差、放射性生热元素含量等。在这些方面,地球并不是均匀的。

因此俯冲作用的发生取决于各个因素的耦合,各方面条件均合适的地方便会率先发生俯冲作用。任何一处的水平运动不会孤立存在,而是通过其他地区有相应的运动来平衡。因此俯冲作用会相继在全球各个位置相继发生,最终形成全球联动的板块构造,时间应该出现在27亿年之后。这与地球长期的热演化史是一致的。

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