我国学者在板块构造起始时代研究方面取得进展

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)。

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