板块构造学说(板块构造学说的证据)

近年来，由中国科学院赵院士领衔的西北大学地质系超大陆学科团队，系统研究了造山带演化与超大陆重建、古地磁超大陆重建、超大陆演化过程数值模拟与大数据g点重建、大陆演化的生命与环境协同效应四个核心科学问题。

近日，团队成员姚金龙教授等人与澳大利亚莫纳什大学彼得·卡伍德教授团队合作，取得的最新成果可以从板块构造演化的角度解答一些关于地球为什么会演化成适合人类居住的星球，以及是什么在推动地球环境的不断改善和生命的产生与演化的疑惑。

相关成果发表在新出版的《自然·通讯》杂志上。

板块构造可以被描述为地球时间空演化的引擎。

“地球能进化成有生命的星球，有其必然性，也有无数偶然在其中。最重要的必然性在于地球上板块构造的存在。”赵这么说。

板块构造学作为引领地球科学领域的方法论，认为地球表面几个大小不一的岩石圈块体在软流圈上方相对运动。板块构造驱动着地球表层和深层物质和能量的循环，决定着碳、氧、磷、铁等关键生命元素的循环。，丰富了人类赖以生存的资源和能源，释放了地球内部的热量。它是维持地球系统的中心和纽带。

然而，板块构造并非诞生于地球。约46亿年前，经历了从炽热的岩浆海到壳幔分异形成柔软或停滞的盖层构造(前板块阶段)，到以热俯冲和浅俯冲为特征的板块构造早期，再到俯冲可能相对停滞的地球中期，再到以大陆深部俯冲为标志的现代板块构造的漫长地质年代学旅程。赵进一步阐述说:“可以说，它占据了地球历史的大部分。板块构造的每个阶段对应地球表生圈的不同演化阶段。”

如文中所言，毫无疑问，板块构造是决定地球表生圈演化的一级动力学，可谓推动地球时间演化的引擎空。

现代板块构造的开始可能与马里亚纳型海洋最初俯冲的出现同步。

新元古代-寒武纪中期(约8.5-5亿年前)是地球历史上的一个关键转折时期。在此期间，发生了一系列标志性事件，包括现代板块构造的启动、冈瓦纳大陆的汇聚、大气的第二次氧化、埃迪卡拉纪和寒武纪的两次生命大爆发等。

所以通过这个阶段，地球的深部过程和表生气候、环境、生物逐渐接近现在的地球，地球已经完全脱胎换骨。“但这一阶段的具体细节，如现代板块构造的起始时间和动力机制、冈瓦纳古地理重建和造山的精细过程、地球深部构造过程如何驱动气候环境的生命变化和演化、表生过程的建立对深部过程的反馈作用等，一直不清楚，学术界也在不断争论。”赵郭纯说，“也是我和我的团队一直在研究的研究方向。”

目前，地质学家公认蛇绿岩和高压变质岩是板块构造的重要识别标志，其中蛇绿岩是遗留在大陆上的大洋岩石圈残余，是古海洋存在的直接证据。另外，板块构造要求稳定的俯冲，俯冲应该是全球性的，也就是整个板块尺度。

姚金龙和他的团队的一些成员在青藏高原北缘和塔里木盆地南缘的阿尔金造山带中识别出一个大型蛇绿岩套，即穆拉布拉克蛇绿岩。通过研究发现，该蛇绿岩的壳幔端元和橄榄岩中的矿物记录了从大洋中脊(MORB)到俯冲带(SSZ)的二元演化过程，表明它是马里亚纳型初始俯冲蛇绿岩(又称IBM)，同时他们在蛇绿岩中发现了大量深海沉积相的大理岩和红色硅质岩。

他们通过分析研究，总结了位于冈瓦纳北缘的多个东亚陆块记录的地质事件的时间空变化规律，提出原特提斯洋主洋盆的初始俯冲发生在约5.3-5.2亿年前，与冈瓦纳南缘和西缘俯冲带的后退相对应。因此，在5.3 ~ 5.2亿年前发生了一次全球性的构造联动事件。

此外，通过总结全球已知的马里亚纳蛇绿岩，结合该蛇绿岩的成因动力学模拟结果，发现地幔温度是控制板块构造演化和该蛇绿岩形成的关键因素。

据此，他们提出受同一变量控制，并建立了两者之间的关系，即认为现代板块构造的启动和马里亚纳型海洋初始俯冲的出现可能是同步的。

现代板块构造形成于5 . 3亿-5 . 2亿年前的冈瓦纳大陆汇聚阶段。

5.3 ~ 5.2亿年前的全球构造联动以及同期许多地质现象和化学指标的变化，如温压(T/P)比值、锆石Hf-O同位素的演化趋势、被动大陆边缘的数量、大量低T/P比值的超高压变质岩、海水的Sr同位素比值等。，表明5.3 ~ 5.2亿年前是地球进化史上的一个重要里程碑。

“但必须有一个一级地球动力学过程从根本上促进这些。”姚金龙认为。

姚金龙等人发现，这些地质现象和化学指标都表明俯冲作用明显增强。基于多项地质和化学指标，以及板块构造的特征和识别标志，他们的团队首次提出了现代板块构造建立于5.3 ~ 5.2亿年前的冈瓦纳大陆汇聚阶段的观点。

这一观点进一步促进和扩大了国际上对新元古代现代板块构造开始的认识。

“现代板块构造的建立和整个板块的深俯冲，极大地促进了地球深部与地表物质和能量的交换效率，导致地球的冷却，显著地促进了地壳物质的再循环，是推动新元古代晚期-寒武纪时期表生圈剧烈变化和现代地球建立的一级动力。”姚金龙补充介绍。

大气的持续通气为埃迪卡拉纪和寒武纪生命的爆发提供了必要的条件。

该团队指出，最新的国际研究结果表明，俯冲带富含水的沉积物是控制板块构造的另一个因素，可以有效地维持俯冲系统的稳定性。

姚金龙等人认为，现代板块构造的启动和建立导致了板块特别是大陆的深俯冲，这与新元古代晚期以来地球上发生的大量超高压变质作用是一致的。

姚金龙指出，比如西北大学刘亮教授团队在阿尔金造山带发现了约5亿年前的超高压变质记录。记录的压力可为达斯应时相，压力约为8~9Gpa，表明当时俯冲深度达到300千米。

根据地壳均衡补偿理论，山根越深，山脉一定越高。以往的研究也表明，冈瓦纳聚合过程中形成的造山带长度超过8000公里，所以当时地球上的造山带无论从高度还是规模上都是空前的。这样的巨型造山带可以大大增强大陆的风化剥蚀，为俯冲带提供大量的沉积物。姚金龙解释说:“这些俯冲带的富水沉积物可以增加俯冲速率，保持俯冲乃至全球板块构造的稳定。”“这说明板块构造演化存在一种内在驱动力，这种内在驱动力会随着俯冲带沉积物的消耗和俯冲带的‘饥饿’而降低。”

“俯冲带饥饿”是指俯冲带缺乏沉积物补偿。赵解释道。

因此，作者认为，冈瓦纳大陆汇聚过程中现代板块构造的启动和建立，在全球范围内形成了多期次的超大规模造山带。多期次的超大规模造山和剥蚀为海洋提供了丰富的Fe、P等营养物质，促进了蓝藻等海洋植物的光合作用，释放出大量的游离氧，使大气不断增氧。同时，大规模的大陆剥蚀掩埋了有机碳和黄铁矿，起到了封存有机碳的作用，阻止了其对大气游离氧的消耗。

此外，他们还认为大陆弧作为板块构造的组成部分，是大气CO2的主要来源。在现代板块初始和建立过程中，大陆弧的规模不断增大。这一过程对增加大气氧和地球温度也起到了积极作用，对表生圈的演化贡献不容忽视。

因此，研究小组得出结论，板块构造通过两个过程促进了新元古代-早古生代大气中的第二次曝气事件(NOE)；大气的持续通气为埃迪卡拉纪和寒武纪生命的爆发提供了必要的条件。

相关论文资料: