近年來，以中國科學(xué)院院士趙國春為學(xué)科帶頭人的西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系超大陸學(xué)科團(tuán)隊(duì)聚焦造山帶演化與超大陸重建、古地磁超大陸重建、超大陸演化過程數(shù)值模擬與大數(shù)據(jù)G-plates重建以及大陸演化的生命環(huán)境協(xié)同效應(yīng)四個(gè)核心科學(xué)問題開展了系統(tǒng)研究。

近期，團(tuán)隊(duì)成員姚金龍教授等人與澳大利亞莫納什大學(xué)Peter Cawood教授團(tuán)隊(duì)開展合作，所取得的最新成果可以從板塊構(gòu)造演化的角度為解答地球?yàn)槭裁茨軌蜓莼蛇m宜人類居住的星球，又是什么在推動(dòng)地球環(huán)境持續(xù)改善、推動(dòng)生命出現(xiàn)與不斷進(jìn)化的一些疑惑。

相關(guān)成果發(fā)表在新出版的《自然·通訊》雜志上。

板塊構(gòu)造可謂推動(dòng)地球時(shí)空演化的引擎

“地球能夠演化成生命星球，這有其必然性，必然中也有無數(shù)的偶然。最重要的必然性就在于地球上存在板塊構(gòu)造。”趙國春如是講。

板塊構(gòu)造作為統(tǒng)領(lǐng)地球科學(xué)領(lǐng)域的方法論，認(rèn)為地球表層大小不一、為數(shù)不多的巖石圈塊體在軟流圈之上相對(duì)運(yùn)動(dòng)，板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)地球表生圈層與深部物質(zhì)、能量循環(huán)，決定碳、氧、磷、鐵等關(guān)鍵生命元素的循環(huán)，富集人類賴以生存的資源能源，并且釋放地球內(nèi)部的熱量，是維系地球系統(tǒng)的中樞與紐帶。

但板塊構(gòu)造并非地球與生俱來，約46億年前開始，從熾熱巖漿海到殼幔分異形成軟蓋層或停滯蓋層構(gòu)造（前板塊階段），到以熱俯沖、淺俯沖為特點(diǎn)的早期板塊構(gòu)造階段，到俯沖活動(dòng)可能相對(duì)停滯的地球中年期，再到以大陸深俯沖為標(biāo)志的現(xiàn)代板塊構(gòu)造，經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)年代旅程。趙國春進(jìn)一步闡述說：“可以說占據(jù)了地球歷史的大部分時(shí)間。板塊構(gòu)造每一個(gè)階段對(duì)應(yīng)著地球表生圈層的不同演化階段。”

正如文章所述，毫無疑問，板塊構(gòu)造是決定地球表生圈層演化的一級(jí)動(dòng)力學(xué)，可謂推動(dòng)地球時(shí)空演化的引擎。

現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與Mariana型大洋初始俯沖的出現(xiàn)可能是同步

新元古代中期—寒武紀(jì)（~8.5億-5億年前）是地球歷史上的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換時(shí)期。在這一時(shí)期，發(fā)生了一系列具有里程碑意義的重大事件，包括現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)、岡瓦納大陸聚合、大氣第二次增氧、埃迪卡拉紀(jì)和寒武紀(jì)兩次生命大暴發(fā)等。

因此，穿越這一階段，地球深部過程和表生氣候、環(huán)境與生物逐漸接近現(xiàn)今地球，地球?qū)崿F(xiàn)了“脫胎換骨”。“但這一階段的具體細(xì)節(jié)，比如現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間與動(dòng)力學(xué)機(jī)制、岡瓦納大陸古地理重建與造山精細(xì)過程、地球深部構(gòu)造過程如何驅(qū)動(dòng)氣候環(huán)境生命變遷與演化、表生過程的建立對(duì)深部過程的反饋效應(yīng)等，一直不甚明確，學(xué)界處于不斷爭論中。”趙國春說，“也是我和我們團(tuán)隊(duì)一直的研究方向。”

目前地質(zhì)學(xué)界認(rèn)定：板塊構(gòu)造重要的鑒定標(biāo)志是蛇綠巖和高壓變質(zhì)巖，其中蛇綠巖是保留在大陸上的大洋巖石圈殘留，是古大洋曾經(jīng)存在的直接證據(jù)。此外，板塊構(gòu)造要求有穩(wěn)定的俯沖，且俯沖作用要具有全球性，即全板塊尺度。

姚金龍和團(tuán)隊(duì)部分成員在青藏高原北緣、塔里木南緣的阿爾金造山帶厘定出了大型的蛇綠巖套即木拉布拉克蛇綠巖，并通過研究發(fā)現(xiàn)該蛇綠巖地幔—地殼端元和橄欖巖中的礦物均記錄了從大洋中脊（MORB）向俯沖帶上盤（Supra-subduction zone, SSZ）演化的二元演化過程，展示其為Mariana型初始俯沖蛇綠巖（又稱IBM型，Izu–Bonin–Mariana）。同時(shí)，他們?cè)谏呔G巖中發(fā)現(xiàn)大量大理巖和深海沉積相的紅色硅質(zhì)巖。

他們通過分析研究，總結(jié)出位于岡瓦納大陸北緣的眾多東亞陸塊所記錄的地質(zhì)事件時(shí)空變化規(guī)律，提出原特提斯洋的主體洋盆初始俯沖發(fā)生在約5.3~5.2億年前，這一事件與岡瓦納古大陸南緣、西緣的俯沖帶板片回撤相對(duì)應(yīng)。因此，在5.3~5.2億年前發(fā)生了一期全球范圍內(nèi)的構(gòu)造聯(lián)動(dòng)事件。

此外，該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)全球已知的Mariana型的蛇綠巖進(jìn)行歸納總結(jié)，結(jié)合該型蛇綠巖成因動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)地幔溫度是控制板塊構(gòu)造演化和該型蛇綠巖形成的關(guān)鍵性因素。

據(jù)此，他們提出二者由同一變量控制，建立了二者之間的聯(lián)系，即認(rèn)為現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與Mariana型大洋初始俯沖的出現(xiàn)可能是同步的。

在岡瓦納大陸聚合階段、5.3億-5.2億年前現(xiàn)代板塊構(gòu)造建立

5.3~5.2億年前的全球構(gòu)造聯(lián)動(dòng)，以及多項(xiàng)同期地質(zhì)現(xiàn)象與化學(xué)指標(biāo)的變化，如溫度壓力（T/P）比值、鋯石Hf-O同位素演化趨勢(shì)、被動(dòng)陸緣數(shù)量、低T/P比的超高壓變質(zhì)巖大量出現(xiàn)、海水Sr同位素比值等，表明5.3億~5.2億年前是地球演化歷史上的一個(gè)重要里程碑。

“但必然有一種一級(jí)地球動(dòng)力學(xué)過程從根本上推動(dòng)了這些。”姚金龍認(rèn)為。

姚金龍等發(fā)現(xiàn)，這些地質(zhì)現(xiàn)象與化學(xué)指標(biāo)均指示俯沖活動(dòng)的顯著增強(qiáng)。綜合多個(gè)地質(zhì)與化學(xué)指標(biāo)以及板塊構(gòu)造的特征與識(shí)別標(biāo)志，他們團(tuán)隊(duì)首次提出在岡瓦納大陸聚合階段、5.3~5.2億年前現(xiàn)代板塊構(gòu)造建立這一觀點(diǎn)。

這一觀點(diǎn)對(duì)國際上提出的新元古代現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)這一認(rèn)識(shí)進(jìn)行了進(jìn)一步的推動(dòng)與擴(kuò)展。

“現(xiàn)代板塊構(gòu)造的建立和全板塊的深俯沖極大促進(jìn)了地球深部與表層物質(zhì)和能量的交換效率，造成地球降溫，并顯著促進(jìn)了地殼物質(zhì)的再循環(huán)，是促進(jìn)晚新元古代—寒武紀(jì)期間表生圈層劇變、促進(jìn)現(xiàn)代地球建立的一級(jí)驅(qū)動(dòng)力。”姚金龍補(bǔ)充介紹。

大氣圈的持續(xù)增氧為埃迪卡拉紀(jì)、寒武紀(jì)生命大暴發(fā)提供必要的條件

該團(tuán)隊(duì)注意到國際上最新研究成果表明俯沖帶富水沉積物是控制板塊構(gòu)造的另一個(gè)因素，能有效保持俯沖體系的穩(wěn)定。

姚金龍等認(rèn)為，現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)與建立，導(dǎo)致板片特別是大陸的深俯沖，這與新元古代晚期以來地球上超高壓變質(zhì)的大量出現(xiàn)是一致的。

姚金龍指出例證，西北大學(xué)劉良教授團(tuán)隊(duì)在阿爾金造山帶發(fā)現(xiàn)了約5億年前的超高壓變質(zhì)記錄，記錄的壓力可達(dá)斯石英相，壓力約8—9Gpa，表明當(dāng)時(shí)俯沖深度達(dá)到300公里。

根據(jù)地殼均衡補(bǔ)償理論，山根越深，山脈必然越高，之前有研究也表明岡瓦納聚合過程中形成的造山帶長度超過8000公里，所以無論是海拔高度還是規(guī)模，當(dāng)時(shí)地球上的造山帶是史無前例的。這樣的巨型造山帶，能夠極大提升大陸的風(fēng)化剝蝕作用，為俯沖帶提供了大量的沉積物。姚金龍闡述：“這些俯沖帶的富水沉積物又能提高俯沖速率，保持俯沖作用乃至全球板塊構(gòu)造的穩(wěn)定。”“這表明板塊構(gòu)造的演化存在內(nèi)驅(qū)動(dòng)力，內(nèi)驅(qū)動(dòng)力又會(huì)隨著俯沖帶沉積物消耗、俯沖帶‘饑餓’而降低。”

“俯沖帶饑餓”是指俯沖帶缺少沉積物補(bǔ)償?shù)囊馑肌Ｚw國春解釋。

為此，文章作者們認(rèn)為，岡瓦納大陸聚合過程中現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與建立，形成了全球范圍內(nèi)多階段的超大規(guī)模造山帶，多階段的超大規(guī)模造山剝蝕為大洋提供了豐富的Fe、P等營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)了藍(lán)藻等海洋植物的光合作用，釋放出大量自由氧，造成大氣持續(xù)增氧。與此同時(shí)，大規(guī)模的大陸剝蝕作用埋藏了有機(jī)碳和黃鐵礦，起到了有機(jī)碳封存的作用，阻止了其對(duì)大氣自由氧的消耗。

此外，他們還認(rèn)為作為板塊構(gòu)造組成部分的大陸弧是大氣CO₂的主要來源。現(xiàn)代板塊啟動(dòng)建立過程中，大陸弧規(guī)模不斷提高，這個(gè)過程對(duì)大氣增氧和地球溫度提升也起到了積極作用，其對(duì)表生圈層演化的貢獻(xiàn)不容忽視。

因此，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)定，板塊構(gòu)造通過兩方面過程促進(jìn)了新元古代—早古生代大氣圈第二次增氧事件（NOE）；大氣圈的持續(xù)增氧為埃迪卡拉紀(jì)、寒武紀(jì)生命大暴發(fā)提供了必要的條件。