“深地资源勘查开采”专项
                燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应
固体地球科学面临的七大挑战:(4)板块构造运动的起始
2017-05-03 23:06


原文链接:http://dx.doi.org/10.1016/j.sesci.2016.06.001


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


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


 
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