|
地球是太阳系所有类型行星中唯一具有活动的板块构造、以及由玄武质洋壳和长英质陆壳构成的洋-陆二元格局的星球。也正是出现了其它类型行星所不具备的板块构造和正海拔的长英质陆壳，让地球得以在岩石圈的基础上，出现水圈、大气圈，孕育生命形成生物圈并最终演化出今天主宰地球的人类。因此在探讨地球的多圈层相互作用以及宜居星球演化的问题上，板块构造与长英质陆壳二者之间必然存在着某种内在联系。争论的焦点之一就是二者谁先在地球上出现。 支持大陆起源于板块构造的观点如下：板块构造出现在长英质大陆壳形成之前，很可能在冥古宙（Hadean）或始太古代（Eoarchean）就已启动，而长英质大陆则是在板块构造体制下的岛弧基础上发展而来的。相反，支持大陆起源于非板块构造的学者们认为：长英质大陆在板块构造启动之前就已经形成，是地幔柱（Mantle Plumes）作用的产物，而正是因为密度较轻的长英质大陆的存在，才诱发密度较大的大洋岩石圈向密度较小的大陆岩石圈下面俯冲，板块构造才得以启动。无论哪一种模式，目前学术界较为一致看法是克拉通中的TTG起源于含水的铁镁质地壳的部分熔融。因此，长英质大陆或起源于板块构造体制下的岛弧，或起源于地幔柱体制下的洋底高原。目前，古老大陆究竟是起源于岛弧还是洋底高原已成为地球科学领域研究的重中之重，是发展和完善板块构造理论和建立前（非）板块构造理论一个重要窗口。 近日，赵国春与张国伟两位院士共同在《地质学报》撰文，针对前述的大陆地壳起源的两种构造模式进行了综述，并在此基础上提出大陆起源于地幔柱洋底高原的二阶段新模式。 
图 1：全球主要克拉通的空间分布 说到大陆地壳的起源，就要研究地球上保存最为古老的陆壳，而克拉通很好的保存了这些古老的地壳物质，其指代长期稳定的岩石圈（稳定时间 > 1.0 Ga）。截至目前，除在加拿大出露的冥古宙4.0 Ga的Acasta长英质片麻岩外，大规模的长英质陆壳基本形成于太古宙，且其中绝大部分形成于3.2-2.5 Ga的中-晚太古代时期（图1）。在岩石组合与地球化学特征上，太古代克拉通陆壳依据岩石类型可分为TTG为主的正片麻岩和由火山岩和少量沉积岩构成的绿岩，二者共同构成低级区的花岗-绿岩带，不同于高级区的（正、负）片麻岩地体。其中，TTG 是英云闪长岩（Tonalite）奥长花岗岩（Trondhjemite）花岗闪长岩（Granodiorite）为主的一套深成岩的简称，可以包括少量淡色辉长岩和石英闪长岩。TTG岩石最显著的地球化学特征是具有较高的Na/K比值和较高的(La/Yb)N和Sr/Y比值（图2），表明其原岩可能为含水的低钾拉斑玄武质岩石，并在加厚的下地壳发生部分熔融，造成源区残留石榴子石和金红石而不含斜长石。科马提岩做为太古代绿岩带中的超基性富Mg喷出岩，在后太古代几乎绝迹，暗示太古代时期地球具有极高的地幔潜在温度。 在基底构造样式上，对于全球古老克拉通内部典型的花岗-绿岩带的构造解析表明，其早期的陆壳内部构造样式以反映垂向构造运动的片麻岩穹窿（dome and keel structure）为特征，即表现为组成克拉通主体的TTG岩浆以底辟形式上涌形成不同规模的片麻岩穹窿构造，同时周缘的相对密度较大的超基性-基性-变质表壳岩沉降下凹形成向形或龙骨构造（图3a, b）。具体构造样式上表现为片麻岩穹窿与表壳岩接触边界往往以强烈垂向剪切拉伸为特征，表现为大量发育近竖直方向的拉伸线理或Ｌ型构造岩（图3c），反映垂向构造运动。 
图 2：太古宙TTG与后太古宙花岗质岩石的(La/Yb)N-(Yb)N图解 太古宙克拉通在变质作用方面具有以下特征：a) 变质作用都是克拉通规模，与元古宙和显生宙的变质作用大多局限在线性构造带（造山带）内形成鲜明对比；b) 变质作用温压条件在正常地热梯度范围内（10-30 ℃/km），即以低压-中压绿片岩相、角闪岩相和麻粒岩相为主；c) 缺少低温高压蓝片岩相和高压-超高压榴辉岩相变质作用；d) 变质作用演化以具有近等压冷却（IBC）逆时针P-T-t轨迹为主。这种独特的P-T-t轨迹通常与地幔柱上涌的大陆裂谷环境紧密相关。
图 3：太古宙克拉通中片麻岩穹窿构造样式与剖面解析 古老大陆究竟是在板块构造体制下的岛弧基础上发展起来的还是形成于前板块构造（如地幔柱）体制，主要看哪种构造体制能更合理地解释如前所述的太古宙克拉通岩石组合及其地球化学特征、基底构造样式和变质作用P-T演化。作者总结了7条支持板块构造体制的证据（详细内容参见原文），并提出了相应的构造模式图（图4），即在洋-洋俯冲的初期，大洋板片俯冲脱水导致上覆地幔楔发生部分熔融，形成玄武质成分的岩石。随着弧岩浆作用的不断进行，所形成的玄武岩层越积越厚，以至于火山弧玄武质地壳的根部在新的地幔岩浆加热条件下再次发生部分熔融，形成中-酸性熔浆，侵位到中-上地壳形成DTTG（D represents diorite）岩石组合，相当于太古代低压型TTG岩套。而部分俯冲的大洋板片本身也可能发生部分熔融，形成埃达克质岩石，相当于太古宙高压型TTG岩套，从而导致玄武质大洋岛弧向长英质（安山质）岛弧的转变（图4a）。这些长英质岛弧随着俯冲导致洋盆的关闭会发生相互碰撞，形成具有一定规模长英质陆核的弧地体（图4b）。具有长英质陆核的弧地体的拼合就形成了大陆克拉通（图4c），这就是板块构造体制下大陆形成模式。大陆起源的岛弧模式能够解释太古宙克拉通TTG深成岩的成因。然而，板块构造体制下的岛弧模式无法解释太古宙克拉通绿岩带中的常见双峰式火山岩组合，即缺少显生宙岩浆弧环境下的安山岩。双峰式火山岩组合通常形成于拉伸的构造环境，很少形成于岛弧这样的挤压构造环境。此外，太古宙绿岩带中独有的科马提岩也难以在板块俯冲带环境下形成。而这两个问题用地幔柱的洋底高原模式则能很好的解释。同时，地幔柱的洋底高原模式也能解释太古宙高级区变质作用所呈现的近等压冷却型（IBC）逆时针P-T-t演化特征和独特的穹窿构造样式（dome and keel structure）。
图 4：大陆起源于岛弧的构造模式图 最后，作者提出了大陆起源于洋底高原的二阶段模型：第一阶段为洋底高原的形成阶段（图5a, b），即起源于核-幔边界的地幔柱绝热上升到岩石圈底部发生减压熔融形成玄武质岩浆，其底侵到地壳底部使得厚度增加，或者喷出地表形成洋底高原。在此阶段的晚期，地幔柱的尾部于岩石圈的底部侵位并喷出地表形成科马提岩。第二阶段为长英质陆壳（TTG）的形成阶段（图5c），当另一个新的地幔柱到达已形成的洋底高原底部，会导致洋底高原下部发生广泛的麻粒岩相超高温变质作用和地壳深熔作用，导致洋底高原地壳的中-下部转变成中-高压石榴斜长角闪岩和石榴石麻粒岩。这些变质基性岩部分熔融作用的产物就是中-酸性岩浆。由于其密度较轻，其底辟上升会导致密度较大的绿岩地体垂直下沉（sugduction），即所谓的密度差沉降作用并形成太古宙克拉通中常见的dome and keel structure。尽管地幔柱的洋底高原模型可以解释诸多板块构造难以解释的问题，但其存在一个致命缺陷，即水的来源问题。众所周知，地幔柱发生部分熔融无论是形成科马提质还是玄武质岩浆均贫水，而目前对TTG的实验岩石学、相平衡模拟与O同位素研究均表明其在形成过程中需要源区有水的参与，要么是干玄武岩的水致熔融，要么是水化的基性岩部分熔融。这一问题至今都没有很好的解决，而这也是支持大陆起源于板块构造的学者们的基本立足点之一，即在板块构造体制下的岛弧模式中俯冲带就是富水的环境，有利于TTG的形成。然而，近日来自西澳地质调查局的Smithies等人(Smithies R H, Lu Y, Kirkland C L, et al. Oxygen isotopes trace the originsof Earth’s earliest continental crust[J]. Nature, 2021, 592(7852): 70-75.)针对澳大利亚Pilbara克拉通的研究工作认为，地球最初阶段的上地幔中就可能是一种相比现今相对富水的环境（~425-1000 ppm），由于水在部分熔融中表现为不相容性，因此水会在地幔熔融的产物-原始的镁铁质地壳中进一步富集，这些原始地壳进一步发生部分熔融形成了最原始的长英质大陆地壳，而不需要板片俯冲的参与。这一认识或许可以帮助完善地幔柱的洋底高原模型。但这种猜想能否具有普适性，未来还需要更多的工作去验证。
图 5：大陆起源于地幔柱洋底高原的二阶段模型
文献来源：赵国春，张国伟．２０２１．大陆的起源．地质学报，９５（１）：１～１９
|
