刘双良等-Geology: 碳酸岩和金伯利岩记录揭示地球的热-构造协同演化

　　地球存在多个圈层，但不同圈层间相互耦合，使得地球热和构造作为整体进行演化，这种演化过程影响了地球内外圈层相互作用的方式，而内外圈层的相互作用又与地表生物圈息息相关。 

　　一些观点认为地球的演化存在长期趋势。例如，岩石和成矿作用类型发生变化、地幔长期冷却、构造体制由非板块构造转变为板块构造等；也有一些观点认为地球的演化可能存在一些短期的周期，例如间歇频发的碎屑锆石记录、超大陆旋回假说（重复出现的大陆集中聚合与裂解）等。这些讨论均关乎地球的热和构造演化，例如，板块构造启动时间？中元古代构造体制？超大陆旋回是否存在？其持续时间又会约束板块构造网络形成的最小时间等。那么地球的热和构造演化究竟符合怎样的规律？要探究这一问题就需要找到合适的地质记录，且这些记录还需满足：（1）与地球的热和构造相关；（2）能够反映内外圈层的相互作用；（3）既具有一阶趋势又可以探寻二阶韵律。 

　　次大陆岩石圈地幔（SCLM）是地球内外相互作用的边界层，既对地球内部热敏感，也与外部圈层构造体制相关，它贡献的两种不同的富挥发分岩石（碳酸岩和金伯利岩）可以上升到地表并保留下来。这使得这两种成因上相似、与热和构造相关、均具有一阶长期趋势和二阶周期韵律的岩石记录可以互相支持，并可作为探究地球热-构造演化史的绝佳着手点。 

　　要使用这样的岩石记录来探究地球热-构造演化还需要解决两个问题：（1）需要可靠的年龄数据集；（2）岩石记录反映真实情况还是保存偏差？ 

　　中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生刘双良在导师范宏瑞研究员以及Ross N. Mitchell研究员的指导下，基于Woolley和Kjarsgaard于2008年给出的碳酸岩数据集，搜集汇总了最新的全球碳酸岩年龄数据集，并将其与Tappe等2018年编纂的金伯利岩年龄数据集进行对比，绘制出了频数分布图（图1和图2）。首先讨论并排除了各种偏差对于两种岩石记录存在显著影响的可能，认为这些岩石记录可以反映这两种岩石在地质历史上产出的真实情况。 

图1 具有可靠年龄的碳酸岩和金伯利岩全球分布图（金伯利岩数据来自Tappe et al., 2018）

　　接下来通过对频数分布曲线进行分析发现，二者具有相似的幂率分布（图2），这与当前正在讨论的金伯利岩一阶长期趋势反映地幔长期冷却还是10亿年左右地球构造体制转变相一致。一个自然而然的推想是，如果影响因素是真实存在的，它应该在一阶长期趋势和二阶韵律中均有体现，并且在成因上相似的碳酸岩也应该具有相同的规律。基于这项考虑，去掉了两种岩石记录的一阶趋势，并对他们去趋势后的波动曲线进行了频谱分析（图3）。结果表明，二者具有一致的波动和超大陆旋回周期（400-800 m.y.），二阶韵律与超大陆旋回的耦合明确了构造是两种岩石记录的重要影响因素。 

图2 碳酸岩和金伯利岩频数分布图。含有1σ置信带的频数分布曲线用实线表示；拟合的幂函数趋势线用虚线表示。内部小图为对数坐标的频数分布图

图3 （a）去趋势的碳酸岩和金伯利岩年龄频数分布曲线与超大陆时间和去趋势的羽流玄武岩平均ΔMgO曲线对比图；3.0～1.2Ga的金伯利岩曲线被放大；（b-c）去趋势的碳酸岩和金伯利岩曲线多锥度（MTM）能量谱分析结果

　　进一步将两种岩石记录的波动与超大陆相态和羽流玄武岩△MgO值（高值代表地幔相对高温，低值反映地幔相对较冷）进行对比，发现二者波动的峰值总对应岩石圈地幔相对较冷和俯冲带长度/通量/板块运动速率相对较大的超大陆间期，并且他们的一阶趋势和二阶韵律以及相互关系对统计参数的选择不敏感。 　　  

　　基于以上分析，进一步讨论了这两种岩石对于俯冲和地幔冷却的明显依赖性，以及地幔温度和板块俯冲相互耦合的内在逻辑，判定热和构造这两种内在耦合的因素影响了这两种岩石的形成，进而得出碳酸岩和金伯利岩是地球20亿年来热-构造协同演化的直接岩石记录。这一记录指示了超大陆旋回的存在、至少20亿年前板块构造网络的形成以及约10亿年前构造体制向现代板块深俯冲的转变（图4）。 

图4 碳酸岩和金伯利岩岩石记录的趋势和韵律所反映的2.0-0 Ga地球热和构造协同演化模型

　　研究成果发表于国际学术期刊Geology（刘双良，马琳，邹心宇，秦奔，Aleksey E. Melnik, Uwe Kirscher，杨奎锋，范宏瑞*, Ross N. Mitchell*. Trends and rhythms in carbonatites and kimberlites reflect thermal–tectonic evolution of Earth. Geology, 2023. DOI: 10.1130/G50775.1）。该研究受国家自然科学基金项目和中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目资助。