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中国科学院地质与地球物理研究所在板块构造起始时代研究方面取得进展
2024/04/18
图 全球不同克拉通TTG中Ba含量随时间的长期变化
在国家自然科学基金项目(批准号:41890832、42172217、41902057)等资助下,中国科学院地质与地球物理研究所黄广宇、Ross Mitchell和郭敬辉团队,在板块构造起始时代研究方面取得新进展。相关成果以“太古宙陆壳Ba含量揭示出板块俯冲起始时代的全球性地域差别(Barium content of Archaean continental crust reveals the onset of subduction was not global)”为题,于2022年11月2日在《自然·通讯》 (Nature Communications)杂志在线发表。论文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-022-34343-0。
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资料,科学家总结出一些板块构造公认的识别标志。但是当不同方法被用在限定板块构造启动时代时,给出的结果却可以从晚于10亿年到早于40亿年不等。差别之大的原因既有各类指标之间的差异,也有地球早期地质记录不完整所致。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。
太古宙陆壳最普遍的岩石组合单元,就是英云闪长岩(tonalite)-奥长花岗岩(trondhjemite)-花岗闪长岩(granodiorite)组合(TTG岩套)。TTG组合实际上构成了太古宙大陆地壳的主体,在全球各个太古宙大陆都有高比例分布。同时,TTG岩石可以准确定年,是研究早期地球动力学过程非常理想的研究对象。因此,太古宙TTG岩石的地球化学数据库,是太古宙各类地质记录中最丰富和完整的,有最好的代表性。
本研究发现, TTG岩浆形成后,其Ba含量不容易受到后期分离结晶和同化混染的改造,能更好的反映岩浆形成时的组分。利用相平衡模拟,以太古宙平均玄武岩作为原岩进行熔融模拟。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。
进一步检视和分析现有的全球不同克拉通的TTG数据库,发现了全球TTG岩石中Ba含量随时间演化的新规律,即在Ba含量随时间进程保存平稳的背景中,出现了3次Ba含量显著增高事件,分别发生在37亿年、32亿年和27亿年左右,应该是板块俯冲作用直接的岩石成因地球化学效应。进一步检验发现,不同克拉通TTG岩石中,Ba含量的突然增高的时间并不相同,可能指示了板块俯冲作用发生的时间在各克拉通是不同的。其中,Slave克拉通的俯冲作用可能在40亿年就开始了,北大西洋克拉通和Kaapvaal克拉通紧随其后,分别在37亿年和35亿年开始出现俯冲作用。在30亿年左右,俯冲作用已经涉及到了大多数的克拉通。而较为年轻的克拉通,如Superior克拉通,则在27亿年开始出现俯冲作用(图)。
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。这些因素在全球范围内肯定是不均匀的,而俯冲作用的发生取决于各个因素的耦合,各方面条件均合适地方便会率先发生俯冲作用。同时,任何一处的水平运动不会孤立存在,而是在其他地区有相应的运动来平衡。因此俯冲作用会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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