太古宙晚期板块俯冲的特点

地球，人类赖以生存的家园。在太阳系的行星中，它最与众不同，最生机勃勃。而板块构造运动则是塑造出如今地球的重要推手。从大陆漂移到海底扩张再到板块俯冲，板块构造理论描述了地球的刚性外壳（岩石圈板块）如何运动和再循环，是二十世纪最伟大的科学革命之一（图1）。

图1  全球构造板块

 然而地球具有约45.6亿年的历史，斗转星移，沧海桑田，地球也在不断的演变。那么板块构造究竟是何时开启的？又是如何随着时间演变的？这成为了近十年来固体地球科学领域探索的热点问题。

近年来的一系列研究表明，板块构造体制最有可能于太古宙晚期开始启动。但是，太古宙晚期的地球在地幔温度、岩石圈厚度、地壳强度、地壳成分、地表环境等方面都与现代地球截然不同，太古宙晚期发育的古板块构造必然与现代板块构造存在很大的不同。

例如，郑永飞院士(Zheng and Zhao, 2020)从构造和变质岩石学的角度，从理论上探讨了板块边缘的动力体制和热状态对变质作用的影响，提出地球历史上存在两种范式的板块构造：太古宙时期板块边缘是韧性的，出现暖俯冲，产生了古代板块构造(Ancient plate tectonics)；从新元古代至今，板块边缘变成刚性，发育冷俯冲，从而产生了现代板块构造(Modern plate tectonics)（图2）。

图2   以冷俯冲为特征的现代板块构造和以暖俯冲为特征的古代板块构造

(据Zheng and Zhao, 2020)

然而，由于后期地质事件的叠加，能够识别出来的太古宙板块构造记录非常缺乏，这让我们很难认识和理解太古宙板块构造的动力学特征和岩浆特征。

针对这一科学问题，中国科学技术大学张少兵等人(Zhang et al., 2020)对扬子克拉通北部多种类型的岩浆岩进行了研究。其研究对象包括扬子北缘渔洞子群的长英质片麻岩、中性片麻岩和角闪岩，扬子克拉通内部胡集地区的A型花岗岩，这些岩石的结晶年龄均为2.65-2.70 Ga，属于太古宙的岩浆记录，形成于共同的大地构造背景。这些天然样品是我们探求早期地球的重要窗口（图3）。

图3  样品采集地点位于扬子克拉通北缘

 渔洞子长英质片麻岩为富Na的TTG岩石，具有正的Eu异常，低Yb和Y含量，高La/Yb和Sr/Y比，而渔洞子的中基性岩石主要为钙碱性，轻重稀土的分异程度小很多（图4）。渔洞子TTG和中基性岩石的锆石Hf同位素组成与同时期球粒陨石值接近，全岩ε _Nd(t )为-1.6到+3.4，锆石δ ¹⁸O 值为4.6-6.6‰（图5），与地幔值相当或略高，石英δ ¹⁸O 值为12.0-15.2‰。

图4  三种类型岩石的微量元素及比值特征

综合多种地球化学特征，渔洞子TTG岩石是俯冲板片熔融的产物，而钙碱性中基性岩石是被交代的地幔楔部分熔融的产物。另外，这些渔洞子岩石都受到了2.47-2.50 Ga变质事件的改造。扬子克拉通内部胡集地区的A型花岗岩的锆石Hf同位素组成与渔洞子同时期的岩石相似，但锆石δ ¹⁸O 值为3.6‰ to 5.4‰（图5），低于地幔值，石英δ ¹⁸O 值为3.5-8.2‰。这表明胡集A型花岗岩是伸展环境下高温岩浆作用的产物。因此，这些岩石共同记录了一个克拉通边缘汇聚、克拉通内部伸展的构造体系，即板块俯冲体系。

图5  TTG和A型花岗岩中锆石的氧同位素组成

在鉴定出这个太古宙晚期板块俯冲体系的基础上，张少兵等人(Zhang et al., 2020)结合热力学动力学模拟结果，提出太古宙晚期发育的古代板块构造存在两个鉴定性特征：在岩浆活动方面，其特征是俯冲板片和地幔楔同时熔融，这是因为太古宙晚期的俯冲带热梯度相当于现代的暖俯冲，大部分俯冲板片在浅部完全脱水，只有俯冲板片的下部(叶蛇纹石和绿泥石)可以携带一些水进入弧下深度，释放出来交代地幔楔诱发少量弧岩浆（图6）。

图6  晚太古宙板块俯冲特征示意图

在动力学方面，2.47-2.50 Ga变质事件与扬子克拉通另外一期TTG岩浆活动时间一致，而这两期TTG岩浆之间是不连续的，说明板片俯冲可能在2.65-2.70 Ga和2.47-2.50Ga是活动的，而在2.65-2.50Ga是停滞的（图7），这意味着太古宙晚期的板块俯冲可能是不连续的，而是以走走停停的方式运行着。

图7  扬子克拉通太古宙基底的岩石年龄和锆石Hf同位素组成

 上述研究表明，结合天然样品、热力学模拟和动力学模拟等多种研究手段，是认识古代板块构造的一个有效途径，也是该领域的发展方向之一。

该研究成果发表在《Precambrian Research》，论文的第一和通讯作者为中国科学技术大学张少兵教授。论文信息为Zhang, S.-B, Zheng, Y-F, Wu, P., He, Q., Rong,W., Fu, B., Yang, Y-H., Liang, T., 2020. The nature of subduction system in theNeoarchean: Magmatic records from the northern Yangtze Craton, South China.Precambrian Research, 347: 105834.

此文转自“化学星球“公众号。参考文献：Zheng,Y.-F, Zhao, G.C. Two styles of plate tectonics in Earth’s history. Science Bulletin 65, 329-334 (2020)