Science Advances：全球联动的板块构造何时启动？

来源：中科院地质地球所

万博等-SA：全球联动的板块构造何时启动？——来自短周期密集台阵的证据

摘要：依据地质模型预测，部署高密度地震台站，准确定位华北克拉通鄂尔多斯陆块下方18亿年前的造山结构。该结构在全球背景下，指示3条俯冲带即可汇聚（可能是）地球最古老超级大陆的主体。结合全球资料，推测该俯冲系统自20亿年前开始具有全球联动效应，标志着板块构造的启动，并导致超大陆汇聚、地幔加速冷却等地球重大变革性事件。

“板块构造”的重要性比肩相对论和量子力学之于物理学、DNA之于生命科学的意义，是20世纪的重大科学发现之一。板块活动导致地球物质能量交换强烈、火山-地震活跃、矿产油气资源富集、大气温度-氧含量适度，是地球维持宜居性的重要动力，也是地球有别于其他行星的关键标志。但是，地球何时启动板块构造，并开启与其他行星不同的演化之路，是当今地球科学最具争议的问题之一，启动时间之争可以从冥古宙（>40亿前）一直到新元古代（<10亿前）(图1)，跨越近3/4的地球历史。

图1 板块构造与板块构造启动时间争议（左：USGS，右：改自Korenaga 2013）

争论源于大家对什么现象能够代表板块构造启动无法达成共识。前人试图从寻找最古老证据角度来解析（图1），给出的时间大多在早-中太古代（39-35亿年前）。板块构造一个显著特征是各板块之间的相互联动，表现为任何一处的运动并不是孤立存在，而是在其他地区有相应的运动来平衡(图1)。问题在于基于某地区最古老的“证据”往往忽略了板块构造的联动作用，比如木星冰卫星“欧罗巴”即使局部地区存在冰壳“俯冲”也不能代表该冰卫星存在板块构造作用(Kattenhorn et al., 2014)。因此尽管大多研究提议板块构造启动于早-中太古代，但很难协调为什么板块构造早期和晚期在地表的记录存在显著差异。

板块构造启动后应该有全球联动效应的表现，应该在关键特征上与现代地球的观测相符合：比如存在冷俯冲的地质证据，大洋岩石圈的残留（Stern 2005）以及古俯冲的地球物理结构等。地球在20.5-18亿年间的这段历史被称为“造山纪”，地质研究表明全球几乎所有的古老陆块都记录了该时期的造山作用(Zhao et al., 2002)，显然这是一个潜在的全球联动时期。近年来不同研究团队相继在华北克拉通北缘发现“造山纪”时期能与现代板块构造作用相匹配的地质记录，如19亿年蛇绿混杂岩构造-岩石记录（Wan et al., 2015）、18亿的具有冷俯冲特征的超高压矿物记录(Xu et al., 2018)（图2）。如果该地区还能够保存与上述地质记录匹配，但属于“造山纪”时期板块汇聚的地球物理结构，显然该地区与现代板块构造体制下的造山带完全可以类比，并可能极大推进对板块构造启动时间的理解。

图2 华北克拉通北缘“造山纪”关键地质证据位置及地球物理剖面位置（绿点线）。注：显生宙的岩浆作用（红色）和断层（黑色）极少出现在稳定的鄂尔多斯陆块内部

在此认识基础上，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室的研究团队于2019年4-5月在华北克拉通北缘布设了一条短周期密集观测剖面进行地下结构探测（图2）。高密度的台站布设（500米台间距）用于提高横向分辨率，P波接收函数CCP方法对Moho界面成像的技术已经十分成熟。研究团队在鄂尔多斯市东胜区地下约45km处发现了向北西倾斜的Moho结构。研究团队基于对古亚洲洋的研究积累能够排除该倾斜结构是后期造山作用或陆内改造作用的结果(Xiao et al., 2015; Wan et al., 2018)。该结构代表18亿年前大陆碰撞作用在被动陆缘褶皱冲断带之下的地壳结构，与当今在喜马拉雅前陆褶皱冲断带之下的结构在规模和特征上都十分相似（图3）。

图3 鄂尔多斯内部北西向倾斜Moho图像及与青藏高原的对比

利用最新的地质-古地磁资料进行的Nuna超大陆重建，将华北的研究结果置于全球构造背景之下，对比华北地震剖面与全球其它典型克拉通地区已有的高精度地球物理图像，发现能够用三条大型缝合带汇聚Nuna大陆的主体（图4）。现代板块构造重要特点是大洋俯冲板片驱动板块运动，控制板块运动方向。在华北北缘得到的地震图像代表了18亿年大陆碰撞时期的记录，而该区大洋俯冲记录可以追溯到20亿年前。因此可以推断，地球可能在20亿年已经启动了具有全球联动的板块俯冲系统，正是由于全球性的板块俯冲作用，才导致了Nuna超大陆的汇聚，从而可以更合理地解释地幔在古元古代开始加速冷却等重大变革性事件。 

图4 板块俯冲牵引作用导致Nuna超大陆汇聚