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【前沿報道】Nature:從變質作用演化看板塊構造體制轉型
2019-09-16 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  變質作用是指巖石在基本保持固態條件下由于溫度(T)和壓力(P)的改變,發生礦物轉變的地質過程。變質作用發生的PT條件和經歷的PT軌跡一般反映了當時的構造環境和動力學過程。早在板塊構造理論提出之前,變質巖石學家已經在探索變質作用與構造環境的關系,其中最具代表性的成果是都城秋穗提出按照地熱梯度把區域變質作用劃分為三種壓力類型的方案(Miyashiro, 1961),即:低地溫梯度(≤10/km)的高壓型變質作用、中等地溫梯度(20-30/km)的中壓型變質作用和高地溫梯度(≥40/km)的低壓型變質作用。在此基礎上,都城秋穗進一步提出了雙變質帶的概念,認為在環太平洋地區高壓型和低壓型變質帶是成對出現的,空間上平行延伸:在大洋側通常是高壓型變質帶(具有低T/P特點),代表古海溝,在那里洋殼曾俯沖到陸殼之下;而低壓型變質帶(具有高T/P特點)位于花崗巖-火山弧帶。因此,在板塊構造理論發展的初期,雙變質帶的識別和建立成為其地質基礎的一部分(Dewey and Bird, 1970)。隨后,Ernst (1971, 1972) 的研究進一步明確了高壓型變質作用與板塊俯沖作用的聯系,這方面的研究也迅速成為變質地質學最重要的主題。到80年代中期,變質陸殼巖石中柯石英的發現(Chopin, 1984; Smith, 1984)開啟了超高壓變質作用研究的序章,通過對大陸深俯沖過程的細致刻畫,極大地豐富了板塊構造動力學過程的科學內涵。 

  近年來,板塊構造在地質歷史上何時啟動和如何演化,逐漸成為地球科學的重大前沿科學問題。全球范圍內陸殼巖石變質條件的變化有可能反映了板塊構造長期演化的過程。傳統觀點認為,冷俯沖是現代板塊構造體制的典型特征。低溫藍片巖最早廣泛出現在新元古代時期(Stern, 2005),可能標志著現代板塊構造體制的開端;最近,隨著一些古老的冷榴輝巖的發現(Weller and St-Onge, 2017; Xu et al., 2018),將這一起始時間提前到古元古代。然而,美國馬里蘭大學的變質巖石學家Michael Brown的系列研究成果(Brown, 2006, 2007, 2008, 2009, 2014; Brown and Johnson, 2018, 2019)指出,板塊匯聚邊緣雙變質帶的出現標志著現代板塊構造體制的起始。麻粒巖超高溫變質作用(高T/P)和榴輝巖高壓麻粒巖變質作用(低T/P)在中新太古代開始廣泛出現,因此,他們提出全球規模的板塊構造運動可能開始于中新太古代,主體在古元古代,稱之為元古代型板塊構造,并在新元古代轉化為現代型、以冷俯沖為代表的板塊構造體制。 

1  “雙峰式變質作用隨時間演化的規律(Holder et al., 2019

  近日,美國約翰霍普金斯大學和密歇根大學的Robert M. Holder博士和其合作者在Nature上撰文,發表他們對變質作用與板塊構造演化的新認識。他們采用統計學方法重新甄選了Brown and Johnson 2019)搜集的全球564個變質巖露頭的T/P和年齡數據。他們將這些數據按變質時代分為五組,進行T/P核密度估計和柱狀投圖,對非高斯分布的數據組采用混合-高斯分布的方法將其分為兩類(高T/P和低T/P;圖1)。他們發現雙峰式變質作用的趨勢自新太古代開始初現端倪,隨后雙峰距離變得更寬、更明顯(圖1),因此提出現代型板塊構造機制自新太古代起始并不斷演化的觀點。他們認為新太古代開始出現的雙峰式變質作用和新元古代出現的藍片巖和超高壓變質作用都是地幔長期冷卻的結果(圖2)。地幔長期冷卻引起了大洋巖石圈厚度、浮力和流變學性質的改變,從而導致了板塊俯沖和碰撞樣式的改變。該觀點與其他學者認為的現代型板塊構造自新元古代(Stern, 2005)或古元古代(Weller and St-Onge, 2017; Xu et al., 2018)的觀點不同。 

變質作用T/P隨時間的變化和地幔潛能溫度的長期冷卻過程(Holder et al., 2019  

  變質地質學在限定地球早期動力學演化過程和完善板塊構造理論中發揮了舉足輕重的作用。科學家們廣泛認同板塊構造早在10億年前的地球已存在并起主導作用,但越來越多的證據表明全球規模的持續性板塊俯沖作用最早可以追溯到新太古代或古元古代。盡管如此,科學家們對板塊構造起始和轉型的具體時間仍未達成共識。Holder et al. (2019) 的研究僅從時間尺度來看雙峰式變質作用,但忽略了空間尺度,同一時間尺度的雙峰可能并不一定是同一俯沖帶的產物,并非代表真正意義上的雙變質帶。深入認識板塊構造體制轉型,仍需要我們綜合多學科的研究成果,其中變質地質學研究的重要作用不可或缺!

    

  主要參考文獻

  Brown M. Duality of thermal regimes is the distinctive characteristic of plate tectonics since the Neoarchean [J]. Geology, 2006, 34(11): 961-964.鏈接 

  Brown M. Metamorphic conditions in orogenic belts: A record of secular change [J]. International Geology Review, 2007, 49(3) : 193-234.鏈接 

  Brown M. Characteristic thermal regimes of plate tectonics and their metamorphic imprint throughout Earth history: When did Earth first adopt a plate tectonics mode of behavior [J] The Geological Society of America, Special Paper, 2008, 440: 97-128.鏈接 

  Brown M. Metamorphic patterns in orogenic systems and the geological record [J]. Geological Society, London, Special Publications, 2009, 318(1): 37-74.鏈接 

  Brown M. The contribution of metamorphic petrology to understanding lithosphere evolution and geodynamics [J]. Geoscience Frontiers, 2014, 5(4): 553-569.鏈接 

  Brown M and Johnson T. Secular change in metamorphism and the onset of global plate tectonics [J]. American Mineralogist, 2018, 103(2): 181-196.鏈接 

  Brown M and Johnson T. Time's arrow, time's cycle: Granulite metamorphism and geodynamics [J]. Mineralogical Magazine, 2019, 83(3): 323-338.鏈接 

  Chopin C. Coesite and pure pyrope in high-grade blueschists of the Western Alps - a 1st record and some consequences [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1984, 86(2): 107-118.鏈接 

  Dewey J F and Bird J M. Mountain belts and the new global tectonics [J]. Journal of Geophysical Research, 1970, 75(14): 2625-2647.鏈接 

  Ernst W G. Metamorphic zonations on presumably subducted lithospheric plates from Japan, California and the Alps [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology, 1971, 34(1): 43-59.鏈接 

  Ernst W G. Possible permian oceanic crust and plate junction in central Shikoku, Japan [J]. Tectonophysics, 1972, 15(3): 233-239.鏈接 

  Holder R M, Viete D R, Brown M, et al. Metamorphism and the evolution of plate tectonics [J]. Nature, 2019, 572(7769): 378-381.鏈接 

  Miyashiro A. Evolution of metamorphic belts [J]. Journal of Petrology, 1961, 2(3): 277-311.鏈接 

  Smith D C. Coesite in clinopyroxene in the Caledonides and its implications for geodynamics [J]. Nature, 1984, 310(5979): 641-644.鏈接 

  Stern R J. Evidence from ophiolites, blueschists, and ultrahigh-pressure metamorphic terranes that the modern episode of subduction tectonics began in Neoproterozoic time [J]. Geology, 2005, 33(7): 557-560.鏈接 

  Weller O M and St-Onge M R. Record of modern-style plate tectonics in the Palaeoproterozoic Trans-Hudson orogen [J]. Nature Geoscience, 2017, 10: 305-311.鏈接 

  Xu C, Kynicky J, Song W, et al. Cold deep subduction recorded by remnants of a Paleoproterozoic carbonated slab[J]. Nature Communications, 2018, 9(1): 2790.鏈接    

  (撰稿:焦淑娟陳意郭敬輝/巖石圈室)

 
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