摘要:板塊構造是地球現階段在太陽系類地行星中獨有的構造運動特徵,是地球演化到一定階段的產物,對現代板塊構造啟動時間的限定是了解地球演化歷史的關鍵。不同學者運用各類地球化學指標並對大量地球化學數據進行統計分析,探討了現代板塊構造啟動的時間和地球早期動力學演變。本文主要對部分利用地球化學資料庫探討板塊構造啟動時間的文章進行總結,並討論Ni/Co、Cr/Zn、Sr-Nd-Hf-O同位素等若干地球化學指標的含義,以判斷可能的板塊構造啟動時間。總結認為,在~
3.0 - 2.7 Ga:(1)
上地殼總體成分由鎂鐵質轉變為長英質(Tang
et al., 2016);(2)
初生地殼平均組成由鎂鐵質轉變為中性,厚度顯著增加(Dhuime
et al., 2015);(3)
(Shirey Richardson, 2011);(4)
大陸地殼生長速率急劇降低,表明地殼生長方式的急劇變化(Dhuime
et al., 2012)。儘管對於這些地球動力學過程劇變的分辨和誘發機制解釋方面存在一些爭論,但是總體上看~3.0Ga是地球動力學過程變化的一個重要轉折期,板塊構造的啟動目前看來是最可能的解釋。因此,板塊構造的啟動時間可能在~3.0Ga。
一、序言
板塊構造的存在是地球區別於其它太陽系類地行星的最主要特徵,然而無論板塊構造的啟動機制如何,大多數學者認為地球形成最初並不存在板塊構造系統(Stern,2007;Condie, and O"Neill 2010;N?raa et al., 2012),因此板塊構造的啟動時間成為一個涉及地球演化的關鍵地球科學問題。從地質學角度限定板塊構造啟動時間通常採用俯衝過程派生的地質記錄的最早出現時間來限定,例如:榴輝岩(Mints et al., 2010)、雙變質帶(Brown, 2014)和蛇綠岩(Kusky et al., 2001)等。然而早期地質記錄的不完整性導致這類方法往往只能給出有限的限定,另外關於太古宙榴輝岩和蛇綠岩的真實性還存在諸多爭議(Zhai et al., 2002, Zhao et al.,
2007)。
另一方面,大陸地殼是對地球過去歷史的主要記錄載體,地殼早期性質的劇烈演化標誌著構造體制的轉變,然而地殼最初是何時形成、如何形成的仍有爭議,並且由於構造活動的改造與剝蝕作用,地殼中很早以前形成的物質現今可能不復存在(Lee and Mckenzie, 2015),因而地殼的早期演化與板塊構造作用密切相關。Sylvester等人(1997)即利用Nb/U比值證明了西澳Yilgarn克拉通晚太古代(2.7Ga)玄武岩的地幔源區是虧損的,與現今虧損地幔性質(Nb/U=47)接近,在2.7Ga以前形成的大陸地殼數量與現今接近。這暗示了在2.7Ga左右俯衝作用可能已經發生,儘管研究存在一定局域性(Hofmann, 1997)。
過去的近三十年,分析技術與儀器的精進極大地豐富了現有的地球化學資料庫,使我們可以通過分析資料庫來刻畫一些深刻的地球動力學過程。大型地球化學資料庫分析往往可以規避一些地質記錄不完整的爭議,因此可以對地球動力學過程提供更普適的制約。本文通過解讀一些地球化學資料庫分析(Tang et al., 2016;Dhuime et al., 2015),來嘗試探討板塊構造啟動的時間。
二、上地殼MgO組成劇變時間的限定
測定碎屑沉積岩(如頁岩、黃土)是獲取現今大陸上地殼地球化學組成的重要方法。Tang等(2016)借鑒了這一思路,通過對早太古代至今的碎屑沉積物的地球化學組成進行數據分析,進而限定早太古代至今的大陸上地殼組成的變化(Tang et al., 2016)。
因此,透過大陸上地殼成分由鎂鐵質轉變為長英質的轉變時間,可以間接地限定板塊構造啟動時間(~3.0Ga)(Tang et al., 2016)。但是,值得注意的是:1)板塊構造啟動並不是造成大規模長英質岩漿作用的唯一因素,其它因素(大規模地幔柱活動等)也可能產生巨量的長英質岩漿作用;2)前寒武紀碎屑沉積岩的記錄是間斷且不完整的,是否可以足夠反映全球範圍的上地殼成分的演變也值得進一步討論。
三、初生地殼Rb/Sr劇變時間的限定
對地殼岩石而言,Rb/Sr比值與岩漿分異過程相關:鎂鐵質地殼到長英質地殼的87Rb/86Sr變化範圍約為0.087-0.74;而Sm/Nd比值主要受地幔熔融事件的影響,而後期地殼改造過程中的岩漿分異或重熔對其影響甚微(Dhuime et al., 2015;Depaolo, 1981)。火成岩樣品的Rb/Sr和SiO2(wt.%)表現為非常好的正相關關係,同時對於厚度小於60km的地殼,其平均地殼的Rb/Sr和其地殼厚度表現為很好的正線性相關性。如果可以限定地質歷史時期的初生地殼的Rb/Sr,就可以限定初生地殼的SiO2(wt.%)含量和厚度隨時間演化的過程。Dhuime等(2015)通過對全球96465個岩漿岩樣品和13125組分析數據的統計、擬合發現了上述規律,並採取了如下思路:先計算出地質歷史時期初生地殼Rb/Sr,然後分析初生地殼組成和厚度隨時間演化過程。Dhuime等(2015)採取現今樣品87 Sr/86Sr組成二階段模型估計初生地殼Rb/Sr:首先選取大量(96465個)不同年代的火成岩樣品,依據其測定的87Sr/86Sr和87Rb/86Sr,估計岩漿結晶時的(87Sr/86Sr)i,然後假設初始87Sr/86 Sr組成位於虧損地幔演化線上,樣品代表的殼幔分異時間由Nd同位素模式年齡決定,由此計算出初始地殼的87Rb/86Sr,再根據元素丰度計算初生地殼的Rb/Sr,然後依據Rb/Sr和SiO2(wt.%)之間的函數關係(由火成岩資料庫擬合;Dhuime et al., 2015)計算出對應的初生地殼的SiO2(wt.%)含量,依據地殼厚度(CT:km)和Rb/Sr之間函數關係(由資料庫擬合:CT(km)=426.8*SiO2(wt.%)+4.1)R2=0.93 ;Dhuime et al., 2015)。在這裡值得注意的是Nd同位素模式年齡是一階段的,使用的對象條件為TDM - CA>300Ma(結晶年齡),這樣基本可以保證對於經歷了Nd同位素二階段演化或者更多階段演化的地殼樣品,TDM與二階段、多階段模式年齡相差不大,並且使用一階段模式年齡對於幔源岩石樣品更合適。
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金星與地球在相似的時間形成,但金星的地殼遠比地球年輕,據NASA的數據,其最古老的地殼也就8億年左右。然而,金星的地殼在達到可以啟動板塊運動的地質階段時卻沒有水!沒有水,就沒有長期和大規模的沉積物,就不可能形成俯衝板塊,也就沒有板塊構造。但是據NASA的專家推測金星形成的早期是有水的,甚至可能像地球一樣有「海洋」,但這種「原始水」早在30億年前就被「吹走了」。金星「失水」的過程有許多假說,有認為金星的大氣層中二氧化碳的比重高達95%(地球上大氣中CO2的比重還不到1%),形成極度高溫的溫室效應,結果把水都蒸發到太空中去了。但是水就是變成了蒸汽到了一定高度由於引力和溫差也是會下雨的呀?所以有人認為是太陽風把水給颳走了,因為金星沒有磁場保護(金星的自轉和公轉速度幾乎相同,也就是說一天就等於一年,而且是「逆轉」的)。這個好像說服力也不夠。NASA的一組專家發現在金星的上空包繞著一層高速移動的「電風」,其強大遠遠超過他們原來的假說程度,這是地球上沒有的情況。這層強大的「電風」把金星地表和大氣中的氫、氧氣和水等一股腦全都吸附到了外太空(這裡我不懂:這「電風」怎麼跟二氧化碳關係那麼鐵,偏把它給留下了?又不能種樹),於是金星就成了一個乾燥、悶熱、沒水,也沒有板塊運動,包裹著厚厚的二氧化碳中看不見真面目的無趣星球。NASA有個關於「電風」的視頻,在鏈接中。『Amazing』: Scientists crack mystery of Venus』s vanished water
不過正像前面有的老師指出的:對這事也不能太當真,都是推測。這不,也有地學家做實驗論證「水並沒有潤滑:其在板塊俯衝中的角色必須重新考慮」「地球物理學家指出:對水在地球深部旋環的傳統理解需要修正」。也是發表在一流學術刊物。這是新聞(沒有找原文)Water is no lubricant: Reassessment of the role of water in plate tectonicsGeophysicists claim conventional understanding of Earth"s deep water cycle needs revision