晚新元古代—早寒武世现代板块构造与现代地球系统的建立

姚金龙,赵国春，2,韩以贵,刘潜,余珊,Simon Williams,何艳红,李阳

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069;2.香港大学 地球科学系,中国 香港)

板块构造理论是统领地球科学的方法论[1-7],它的诞生推动了地球科学里程碑式的变革,从根本上改变了地球科学家认识地球演化的方式。板块构造驱动地球岩石圈、大气圈、水圈和生物圈内物质与能量的循环,决定碳、氧、磷、铁等关键生命元素的富集与循环,富集人类赖以生存的资源能源。但是,板块构造并非和地球与生俱来。其自约46亿年前开始,从炽热岩浆海到壳幔分异形成软盖层或停滞盖层构造(前板块阶段)[8-9],到晚太古代板块构造启动后的热俯冲、浅俯冲为特点的早期板块构造阶段[9-15],到俯冲活动可能相对停滞的中元古代地球中年期[15-17],再到可能开始于新元古代的以大陆深俯冲为标志的现代板块构造[18-22],经历了漫长的过程(见图1)。此外,由地幔温度、板片强度控制的马里亚纳型(Mariana型)大洋初始俯冲同样在新元古代开始出现[22]。新元古代—显生宙之交不仅是板块构造演化历史上的重要转折点,更是表生圈层演化的重要节点。这一时期，大气氧含量显著提高,逐渐接近现代水平[23-26],与此同时,出现了多细胞无脊椎动物门类[27-31](见图1)。由此引发了诸多困扰地球科学界的重大科学问题,其中包括现代意义上的板块构造何时启动、建立?现代地球系统何时建立?岩石圈与表生圈层的耦合机制是什么?近年来,构造-气候-地表三者之间的动态耦合机制研究进展迅速,成为世界范围的一个研究新热点,并在灾害、资源、环境和气候变迁、地球宜居性演化等研究领域有着广阔的应用前景。

1 板块构造演化及其与超大陆聚合裂解的耦合

地幔温度决定了岩石板片的强度,进而决定了板块构造的样式[18]。但是，最新研究成果表明,富水沉积物的贡献同样不可忽略：俯冲通道的富水沉积物能够显著降低俯冲的摩擦系数(可达一个数量级),大幅度提高俯冲速率[32]。较快的俯冲速率不仅能保持俯冲带的稳定,还能保持地幔的不均一性,从而有效保持地幔对俯冲板片的拉拽力,维持板块构造体制。在晚太古代,随着地幔温度的下降(ΔT<250°C，现今地幔温度与当时地幔温度差),板片强度增强,早期形式的板块构造可能已经开始出现在地球上[9-14,18](见图1)。古元古代休伦冰期之后,强烈的冰川剥蚀作用为俯冲带提供了大量的沉积物,俯冲带富水沉积物诱发的早期板块构造达到全板块尺度[32]。但是,随后地球进入俯冲活动相对停滞的中年期阶段,虽然这一时期非俯冲带岩浆活动依然强烈[15,17,19]。在新元古代—寒武纪冈瓦纳(Condwana)大陆聚合阶段[22,33-36],随着地幔温度进一步下降(ΔT< 80～100℃),岩石圈板片强度进一步增强,以低T/P比值的超高压变质岩为标志的现代板块构造启动[18-22](见图1)。此时,岩石圈板片已经能够俯冲到地幔深部。除此之外,这一时期还发生了3次新元古代冰期(斯图特Sturtian, 马瑞诺Marinoan, 噶斯厄斯Gaskiers)、陆弧规模扩大,以及冈瓦纳大陆实现了阶段性聚合等重大地质事件[28]。随着冈瓦纳大陆的聚合,大陆内部形成了超过8 000 km的造山带,造山作用从670 Ma一直持续到500 Ma，局部陆块最晚持续到440 Ma。这些多阶段造山作用和冰期的结束，为海洋和俯冲带补给了大量的沉积物[25-26],促进了现代板块构造体制的启动与建立[22]。与此同时,新元古代—寒武纪同时记录了表生环境与生命演化的重大事件[24-29](见图1)。但是，这一时期板块构造体制与表生环境之间的耦合机制不明,是地球系统科学研究的难点。

板块构造的演化推动了大陆岩石圈运动,在地球历史上形成了多个超大陆。地球演化到某一特定时期时,地球上所有的大陆板块聚合到一起形成一个超级大陆,称为超大陆(Supercontinent);而未包括所有大陆板块的小型超大陆则称为巨大陆(Megacontinent)[37-39]。现有资料表明,地球演化历史中形成过少数几个超大陆或巨大陆,包括凯诺兰(Kenorland，2.7～2.5 Ga?)、努纳或称可伦比亚((Nuna， Columbia，1.9～1.8 Ga)、罗迪尼亚(Rodinia,1.0～0.8 Ga)、冈瓦纳(Gondwana,0.68～0.43 Ga)、盘古(Pangea,0.25 Ga)[33-44]。超大陆聚合的本质毫无疑问是板块构造,但是超大陆裂解的机制目前仍然存在较大分歧,存在周缘俯冲和地幔柱两种主要观点[45-47]。值得一提的是,即使地幔柱裂解模型也不能否认板块构造对于超大陆裂解的重要性,新的大洋的打开只能通过俯冲带消减掉已有的大洋来实现,从而进入一个新的威尔逊旋回。如果不存在板块构造,超大陆只能通过地球体积表面积的收缩与膨胀来实现,但并未有证据表明地球体积发生过明显变化。所以,自板块构造理论诞生以来,超大陆研究同样是国际地球科学研究领域的前沿与热点,逐渐成为重建大陆地壳演化历史、发展板块构造与造山带理论的切入点,也是理解大陆演化过程中矿产资源形成和能源分布的重要窗口。更为重要的是,板块构造演化引起的超大陆/古大陆聚合与裂解事件,往往与表生圈层的极端事件相吻合(见图1);但是在作用机制研究方面仍有一系列重大科学问题尚未得到解决,在合理解释超大陆聚合与裂解的地质过程与全球变化及生命演化的内在关联等方面，仍然面临着巨大挑战。超大陆聚合与裂解引发的环境效应一直是国际地球科学研究的薄弱点，目前仅有的概念模型研究主要集中在盘古超大陆和冈瓦纳大陆聚合阶段[25-26, 44]，对前寒武纪超大陆聚合与裂解的环境效应及其作用机制的研究仍然存在较大的空白。

图1 地球多圈层演化指标随时间变化规律(据参考文献[22])Fig.1 Stages of geodynamic regimes with respect to ages of Mariana-type subduction initiation ophiolites and evolution of Earth′s geological and surficial proxies

2 马里亚纳型(又称IBM)大洋初始俯冲蛇绿岩的时空分布与洋洋俯冲带形成的动力学机制

俯冲起始是形成俯冲带的关键,也是板块构造体制不可或缺的单元。地球历史上，板块构造与俯冲带存在的直接证据则是蛇绿岩。蛇绿岩中比较特殊的一类是马里亚纳型蛇绿岩,该型蛇绿岩记录了沿着转换断层或者海底深大断裂,因洋壳年龄不一致造成洋壳密度差,进而垮塌形成俯冲带的过程[48-50]。俯冲带形成早期,由于地幔物质减压熔融,形成的产物(弧前玄武岩等)以MORB(mid-ocean-ridge basalt)型为特征；随着俯冲带的发育,俯冲带流体开始作用于地幔楔,因此中晚期产物(玻安岩等)则逐渐展示SSZ型(Supra-subduction zone)的特征,源区残留体(橄榄岩)则随着地壳单元的抽取越来越亏损难熔[51-55]。简言之,该型蛇绿岩记录了从大洋中脊(MORB)向俯冲带上盘(SSZ)演化的二元演化过程。来自地幔源区的火山岩序列是地幔源区不断亏损与俯冲流体交代两种地质过程相互作用的结果,整个过程持续7～10 Ma[48-55]。数值模拟结果表明，洋洋俯冲带形成的关键在于由地幔温度控制的板片强度[56]。洋壳密度差形成的内在垂向应力是形成该型俯冲带的动力学机制[50]。马里亚纳型初始俯冲带形成后，规模通常可达上千公里[57]。但是，由于该型蛇绿岩形成于大洋中,大多随着俯冲带消亡,很少有保持在大陆上。

地球上已报道的马里亚纳型初始俯冲蛇绿岩包括形成于52 Ma的西太平洋伊豆-小笠原-马里亚纳(Izu-Bonin-Mariana)(IBM)和汤加(Tonga)蛇绿岩[50,52-53],100～90 Ma新特提斯蛇绿岩[54-55],335 Ma的古亚洲洋蛇绿岩[58],490～485 Ma阿卜拉锲亚—加里东(Appalachian-Caledonian)蛇绿岩[59-60], 518 Ma南阿尔金木拉布拉克蛇绿岩,以及800～690 Ma阿拉伯—努比亚(Arabian-Nubian)蛇绿岩[61-63](见图1)。马里亚纳型蛇绿岩主要产出于显生宙,这表明新元古代以来,特别到显生宙,板片强度才足以支撑马里亚纳型大洋初始俯冲的出现,其根本上受控于地幔温度的持续下降[64],与板块构造体制的演化受同一种因素制约,二者之间存在紧密联系。最老的马里亚纳型初始俯冲蛇绿岩与前人提出的现代板块构造的启动时间一致,这表明现代板块构造的启动与马里亚纳型大洋初始俯冲的出现可能是同步的。值得注意的是,形成马里亚纳型大洋初始俯冲的确切地幔阈值目前尚无确切结论,亟需开展数值模拟等定量化分析来确定。

3 早寒武世原特提斯洋初始俯冲与全球板块构造联动

冈瓦纳古大陆(又称南方古陆)由澳大利亚、南极、印度、非洲、亚马逊、东亚陆块群和众多微陆块在新元古代—早古生代拼合而成。其核心和南缘碰撞拼合造山带主要形成于670～575 Ma和575～480 Ma两个阶段[36]。东亚陆块群一直被认为具有冈瓦纳亲缘性,但相关重建工作一直缺失,直到近年来才取得突破性进展[38,65-68]。东亚陆块群在拼合到冈瓦纳大陆前，零散分布在原特提斯洋中,随着原特提斯洋的关闭,众多微陆块逐渐拼合到冈瓦纳大陆。但是，纵观整个冈瓦纳大陆的聚合过程,东亚陆块群这一时期造山事件的时间明显晚于冈瓦纳主体拼合的时间(见图2)。

东亚陆块群蛇绿岩、变质作用、岩浆作用和相关沉积地层记录表明,原特提斯洋存在多个分支。主洋盆,即商丹—祁连—昆仑洋,西段西昆仑在大约533 Ma开始俯冲[69-70],中段阿尔金—柴达木—祁连洋在525～520 Ma开始俯冲[22, 66],而东段商丹洋在大约515 Ma开始俯冲[67](见图2)。原特提斯洋南支的南柴达木、华南印支、羌塘俯冲时间分别早于 550[71],490[72-74],535 Ma[75]。因此,原特提斯洋主洋盆在530～520 Ma开始俯冲,且具有西早东晚的穿时特点。由此可知,原特提斯洋的主体洋盆初始俯冲发生在5.3～5.2亿年前,这一事件与冈瓦纳古大陆南缘、西缘的俯冲带板片回撤相对应,因此在5.3～5.2亿年前发生了一期全球范围内的构造联动事件。这与冈瓦纳大陆南缘发生于530～520 Ma的古太平洋板片回撤事件时间吻合[33,45],也与冈瓦纳大陆西缘开始于530 Ma的弧后扩张事件相吻合[76-77](见图2)。据此推测，在冈瓦纳最终聚合阶段(530～520 Ma),其周缘俯冲带之间存在构造上的联动。但是，冈瓦纳周缘俯冲带的性质存在差异,因此并未造成冈瓦纳大陆裂解。

图2 Gondwana大陆聚合期间多阶段造山及其周缘俯冲体系分布Fig.2 Reconstruction of Gondwana and subduction zones in its southern, western, and northern margins

4 新元古代—早寒武世现代板块构造体制的启动与建立

530～520 Ma不仅发生了全球构造联动事件与IBM型大洋初始俯冲的形成,还是温度、压力比值(T/P)的转换点。在此之后，T/P进一步显著下降，低T/P比的超高压变质岩大量出现[20],俯冲深度可达300 km[78]。此外,锆石Hf-O同位素演化趋势分别在早寒武世达到历史最低点和最高点并随后反转(见图1),这表明这一时间点地球地壳循环到达一个峰值[79]。不仅如此,被动陆缘的数量在古生代同样达到一个峰值[80]。海水Sr同位素比值亦然[81],但峰值相对滞后[81]。这些地质与化学证据均指示俯冲活动,或者说俯冲通量的峰值。国际上有学者提出了新元古代现代板块构造启动这一认识,但目前仍然没有统一认识。本研究认为，直到早寒武世，板片深俯冲通量的峰值出现,才意味着现代板块构造的正式建立,换言之,深俯冲通量的峰值标志着现代板块构造的最终建立。现代板块构造的建立和全板块的深俯冲极大地促进了地球深部与表层物质与能量的交换效率,造成地球降温,并显著促进了地壳物质的再循环,形成了数量众多的新被动陆缘。因此，现代板块构造是促进晚新元古代—寒武纪期间表生圈层剧变、促进现代地球建立的一级驱动力。

5 板块构造的内驱动力

现代板块构造的启动与建立,导致板片,特别是大陆的深俯冲。根据地壳均衡补偿理论,山根越深, 山脉必然越高。 研究表明，冈瓦纳聚合过程中形成的造山带长度超过8 000 km[25],所以无论是海拔高度还是规模,晚新元古代—早古生代Gondwana聚合过程中形成的造山带,在当时地球上是史无前例的。这样的巨型造山带,能够极大提升大陆的风化剥蚀作用,为俯冲带提供了大量的沉积物。这些俯冲带的富水沉积物又能提高俯冲速率,保持俯冲作用乃至全球板块构造的稳定。这表明，板块构造的演化存在内驱动力(endogenic driving mechanism of plate tectonic regime),内驱动力又会随着俯冲带沉积物的消耗,俯冲带沉积补偿不足进而“饥饿”，而后降低。

6 现代板块构造驱动现代地球系统建立

新元古代中期至寒武纪(850～500 Ma)是地球历史上的关键转换时期,在这一时期,发生了一系列具有里程碑意义的重大事件,包括现代板块构造启动、冈瓦纳大陆聚合、第二次大气增氧和寒武纪生命大爆发等。地球深部过程和表生气候、环境与生物逐渐接近现今地球,地球实现了“脱胎换骨”。最新研究进展表明,板块构造的环境和气候效应主要是通过造山剥蚀、促进初级生产力和深部循环,以及构造去气这两方面作用机制来实现[22,25,82-87]。板块构造不仅深刻改变了全球洋陆格局,而且从多方面引起了表生圈层的极端变化[25,44]。

冈瓦纳大陆聚合过程中现代板块构造的启动与建立,形成了全球范围内多阶段的超大规模造山带。冈瓦纳大陆聚合阶段的造山作用除了造山规模巨大,还具有造山作用持续事件长、多阶段的特点,从670 Ma一直持续到440～430 Ma,至少发生3期造山作用[34-36,41],而且这些巨型造山带大多位于风化作用最为强烈的中低纬度季风带,这导致这一时期大陆风化剥蚀作用急剧增长,这一认识也得到大陆风化剥蚀强度演化特征的证实,其与冈瓦纳大陆的聚合极为吻合[28,81,88]。多阶段的超大规模造山剥蚀为大洋提供了丰富的Fe，P等营养物质,促进了蓝藻等海洋植物的光合作用(即促进初级生产力),释放出大量自由氧,造成大气持续增氧(见图3)。与此同时,大规模的大陆剥蚀作用埋藏了有机碳和黄铁矿,起到了有机碳封存的作用,阻止了其对大气自由氧的消耗,导致大气增氧。有观点认为，这些巨型造山带的出现可能最终引发了NOE事件[25-26](见图3)。但是，冈瓦纳大陆聚合过程多阶段造山是否产生了多阶段环境效应、导致大气多阶段增氧(NOE)?各阶段造山规模和相应风化剥蚀强度(风化指标时空变化规律、沉积物中P等生命元素含量变化规律等)如何？这些问题尚无可靠的量化数据约束,而且造山带的精细时空分布(古地理重建)存在较大争议,需要地球科学界开展进一步深入研究。

俯冲作用是驱动碳循环的关键控制因素,碳循环则又是控制大气增氧的关键。虽然在地球演化过程中,随着板块构造的启动,表生圈层的碳库在逐步上升,但地幔碳库的储量远高于表生碳库[89-92]。大气中的CO2虽然有多个来源,但其中最重要的来源是通过深部俯冲过程来控制碳循环实现的,即俯冲到深部的碳酸盐岩构造排气,这包括碳酸盐岩变质作用和碳酸盐岩俯冲到深部，随后经过岩浆排气而进入大气两方面[82-84]。已有资料表明,大陆弧(即洋陆俯冲)及其向陆陆俯冲的转换过程是控制CO2构造排气的关键,晚新元古代以来，俯冲带长度变化与大气CO2浓度、地表温度变化有很好的相关关系[82,84,86]。这一观点也得到最新研究成果的证实：研究表明，印度板块俯冲到欧亚板块之下、青藏高原隆升,造成了俯冲带碳酸盐岩构造去气，释放CO2,进而导致新生代大气中CO2的浓度急剧上升[93](见图3)。大气中的CO2既是光合作用的原料,又是控制地球温度的关键物质,因此其浓度的变化对地球海洋大气增氧和表生环境的演化起着举足轻重的作用。模拟研究表明,深部碳循环构造去气对大氧化事件(GOE)和新元古代大氧化事件(NOE)都有重要贡献[85,87]。

图3 现代板块构造体制建立及其与地球表生环境变化的联动机制(据参考文献[22])Fig.3 Conceptual model for the establishment of modern tectonic regime and its links to tectonic events and surface environs

综上所述,冈瓦纳大陆聚合过程中,板块构造的多阶段碰撞造山和大陆弧排气两种构造作用可能促进了新元古代大气增氧事件(NOE)。模拟结果表明，到早寒武世，大气氧达到现在25%水平,这一结果与寒武纪生命辐射所需要的氧气阈值相吻合[29]。大气圈的持续增氧为早寒武世生命大爆发提供必要的条件。但是,值得关注的是，在新元古代大气增氧事件中,俯冲带构造排气和多阶段大规模造山,哪个因素占主导作用,目前仍然没有定论,是未来地球系统科学研究的方向和难点。

值得注意的是,不同超大陆聚合阶段对应着板块构造的不同演化阶段,如努纳超大陆聚合对应着俯冲深度较浅的早期板块构造阶段(俯冲深度40～50 km),罗迪尼亚超大陆聚合阶段处于地球中年期的晚期,而冈瓦纳大陆聚合则对应着以深俯冲为标志的现代板块构造的启动和建立阶段(俯冲可达300 km)。根据地壳均衡补偿原理,深俯冲意味着造山带海拔更高、规模更大、风化剥蚀作用更强;因而不同超大陆聚合阶段的造山带海拔和规模应该存在很大差异,这也意味着大陆风化剥蚀作用的强度存在巨大差异。此外,地幔碳库远高于表生碳库,深俯冲可能为地幔碳库转移到表生碳库提供了必要的通道,但此观点仍需进一步研究验证。板块构造的演化阶段差异很有可能是冈瓦纳大陆聚合阶段发生了显著大气增氧(NOE),而努纳和罗迪尼亚超大陆聚合阶段尚未报道有明显的环境变化、大气增氧的重要原因。