Solid Earth Sciences 在创刊号中提出了固体地球科学所面临的7大挑战性的科学难题：(1)地球内部的结构和组成 (the structure and composition of the Earth's interior); (2) 月球的形成 (the formation of the Moon); (3) 岩浆海的演化 (the evolution of the Magma Ocean); (4)板块构造运动的起始(the origin of plate tectonics); (5) 地幔柱的本质 (the nature of mantle plumes); (6) 生命的起源与演化 (the emergence and evolution of life); (7) 超大型矿床的形成 (the formation of giant ore deposits).

（4）板块构造运动的起始

板块构造理论是1967年正式提出的，迄今整整50年。该理论是固体地球科学的基石，与相对论、量子力学和DNA双螺旋结构一起被称为20世纪自然科学四大进展。

板块运动可以概括为两个字：“生”和“死”。生是指在扩张洋脊不断形成新的洋壳；死则是指在俯冲带板块不断消亡。由于地球体积变化很小，其表面积变化不大，因此新形成的洋壳面积与消亡的洋壳面积大体是一致的。目前，洋中脊每年形成约18立方千米的洋壳，按照洋壳平均厚度6千米计算，应该有3平方千米的新生洋壳。

板块构造理论是在观察到了洋脊扩张、磁条带异常、板块俯冲、转换断层等很多无可辩驳的事实的基础上得到承认的。但是板块构造理论存在着很多未解之谜，其中，板块运动是什么时候开始的是一个争论的热点问题。

最初地球是这样的：一个大火球。

（图片引自网络）

现在地球是这样的：

（图片引自网络）

　　两者之间差了一个板块俯冲：

（图片引自网络）

板块运动是怎么开始的？什么时候开始的呢？科学家们观点“囧”异：

　　对于第一个问题，目前主要有两种不同认识：主动俯冲和被动俯冲。

　　主动俯冲的基本思路就是板块侧向浮力差异造成俯冲。代表性的文章是海洋所千人计划牛耀龄研究员在2003年提出的。

被动俯冲的代表性认为是国际大火成岩省主席Ian Campbell，其基本模型是大火成岩省可以是岩石圈发生公里级的抬升，造成板块破裂和侧向滑移，引起俯冲。这种观点与本人的观点接近 (Sun et al., 2007, EPSL).

Campbell等人1991年提出的大火成岩省引起岩石圈公里级抬升。

　　为了验证板块俯冲起始机制，国际大洋钻探计划在伊豆小笠原俯冲带设立了3个航次。

　　国际大洋钻探计划IODP在伊豆小笠原俯冲带执行的3个钻探航次。初步结论是支持主动俯冲。

　　关于板块俯冲起始时间问题，主要有：

Korenaga 2013 总结的关于板块运动起始时间的主要观点。

　　近年来，很多人认为30亿年时板块运动起始的时间。代表性的工作有：

Dhuime etal. 2012, Science图

法国青年学者Dhuime提出，在距今约三十亿年时，大陆地壳的生长速度发生了转折，进而提出这种转折可能是板块俯冲起始的结果。由于俯冲和生长是配对出现的，俯冲起始的时间可以认为是板块运动起始的时间。即：地球发生下面的变化：

　　这种观点有金刚石研究结果的支持。迄今为止发现的与板块俯冲相关的金刚石的年龄均小于30亿年。

Shirey & Richardson, 2011, Science

地球化学研究也支持30亿年开始板块俯冲：太古代沉积物的Ni/Co and Cr/Zn 比值显示在30亿年前，大陆地壳是基性的，后来变为酸性的。转折点也在30亿年左右（Tang Ming et al., 2016,Science）

本人同意板块俯冲对大陆地壳的形成至关重要(Xiao et al., 2006, GCA,Ding et al., 2009, IGR; 2013, J Geology; Liang et al., 2009, Chemical Geology)。但是大陆地壳与板块俯冲之间还是隔着一到坎：俯冲形成岛弧岩浆，岛弧岩浆演化、改造、拼贴到大陆上。

有一种观点认为，只有陆块碰撞时形成的岩浆才能很好地保存下来。下图是碎屑锆石的年龄分布图。可以看出大陆地壳的生长历史似乎是阶段性的。但是板块俯冲并无此类阶段性。所以，板块俯冲究竟是什么时候开始的尚未解决。

Voice etal. 2011, J Geology

个人认为30亿年是板块运动起始的一个年龄下限。例如，Rb/Sr比值变化的拐点发生在35亿年前。另外，Rb/Sr比值在大约18亿年前和10亿年前又有两次转折。原文作者认为是反应了陆壳厚度。但是陆壳厚度是否在18亿年前和10亿年前发生转折尚有待深入研究。当然，这个统计图的误差很大，曲线和拐点的含义有待深入挖掘。

Dhuime et al., 2015, Nature Geoscience

本文作者：孙卫东