陸松年 相振群LU SongNian and XIANG ZhenQun

1. 中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170

2. 中國地質(zhì)調(diào)查局前寒武紀(jì)地質(zhì)研究中心，天津 300170

1. Tianjin Centre, China Geological Survey, Tianjin 300170, China

2. Precambrain Geological Research Centre, China Geological Survey, Tianjin 300170, China

圍繞“板塊運(yùn)動何時(shí)啟動?”的問題，我們從超大陸研究、板塊運(yùn)動的地質(zhì)學(xué)標(biāo)志和熱動力學(xué)數(shù)據(jù)模擬等3方面的進(jìn)展介紹了國際地學(xué)界對這一問題的不同認(rèn)識(陸松年等,2016)。在分析各種不同觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，傾向性地認(rèn)為地球板塊構(gòu)造不是在一個(gè)特定時(shí)期出現(xiàn)的獨(dú)立全球“事件”，即不是一個(gè)等時(shí)的重大熱-構(gòu)造事件的認(rèn)識。但從新太古代開始，地球上已出現(xiàn)具有板塊水平運(yùn)動特征的俯沖作用。由于地幔溫度的差異，早期的板塊運(yùn)動缺少深俯沖形成的高壓和超高壓變質(zhì)記錄，而從新元古代開始，出現(xiàn)與現(xiàn)代板塊一致的動力學(xué)機(jī)制。因此，贊同大致以新元古代作為“原板塊樣式(proto-style plate tectonics)”和“現(xiàn)代樣式(modern-style plate tectonics)”板塊運(yùn)動的轉(zhuǎn)換時(shí)間。近些年，國、內(nèi)外同行圍繞板塊運(yùn)動啟動時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行著探索。本文參閱公開發(fā)表的部分成果，進(jìn)一步介紹板塊運(yùn)動啟動前“巖漿洋”和“停滯蓋”研究的新進(jìn)展，并再次討論有關(guān)板塊運(yùn)動啟動時(shí)間的不同認(rèn)識和觀點(diǎn)。

1 巖漿洋(Magma ocean)

“板塊構(gòu)造何時(shí)在地球上開始?”是地球科學(xué)界自“板塊構(gòu)造”提出以來一直爭論不休的問題之一。板塊構(gòu)造學(xué)于1968年提出(Le Pichon，1968；Morgan，1968；McKenzie，1969)，證明板塊構(gòu)造活動的主要論據(jù)是造山帶內(nèi)是否有蛇綠巖(Dewey and Bird, 1971)、藍(lán)片巖、增生雜巖、高壓-超高壓變質(zhì)作用(包括柯石英和金剛石的出現(xiàn))、鋯石地球化學(xué)數(shù)據(jù)，以及其他特征作為已經(jīng)因大陸碰撞而消失的大洋板塊構(gòu)造運(yùn)動的遺跡(Wildeetal., 2001; Harrisonetal., 2005; Stern, 2005; Furnesetal., 2007; Hamilton, 2011; Hopkins and Mojzsis, 2015; Komiyaetal., 2015)，這些證據(jù)主要來自前寒武紀(jì)地球。然而高壓-超高壓變質(zhì)作用可能不是板塊構(gòu)造的有力證據(jù)，因?yàn)樗{(lán)片巖和超高壓變質(zhì)作用在地球歷史中分別是800Ma和600Ma以來的典型特征，而蛇綠巖的定義則取決于巖石組合(Maruyamaetal.,1989)，因此板塊構(gòu)造何時(shí)、何地和如何開始活動仍未解決。板塊構(gòu)造的樣式一直在隨著時(shí)間的推移而變化，其特征在早期和現(xiàn)代地球之間可能有所不同(Komiyaetal., 1999; Maruyamaetal., 2007)。這些特征還表明，早期地球的溫度高于現(xiàn)今地球時(shí)，一定發(fā)生過板片熔融。因此，大多數(shù)關(guān)于板塊構(gòu)造開始時(shí)間的證據(jù)都來自于冥古宙鋯石。這些冥古宙鋯石中的礦物包裹體和氧同位素表明它們可能來自更古老的TTG巖漿，表明板塊構(gòu)造開始于冥古宙時(shí)期(Wildeetal., 2001)。

在解釋地球板塊運(yùn)動啟動問題的過程中，一些學(xué)者從更大空間和時(shí)間尺度探索了太陽系類地行星(planetoids)及地球歷史中動力體制的演變過程和特點(diǎn)，到2015年，人類經(jīng)過50多年的努力，利用太陽系“類地行星”的圖像推斷了它們的構(gòu)造活動狀態(tài)。根據(jù)這些圖像資料分析，硅酸鹽質(zhì)行星體在它的生命期由于冷卻和巖石圈增厚似乎經(jīng)歷過幾種構(gòu)造樣式(Sternetal., 2018)。這些構(gòu)造樣式包括巖漿洋、多種類型停滯蓋，以及板塊構(gòu)造(圖1)。

圖1 太陽系中大型硅酸鹽行星體的巖漿構(gòu)造樣式可能的演化模式(據(jù)Stern, 2016)Fig.1 Possible evolution of magma to tectonic styles for a large silicate body by using large silicate bodies in our Solar System as examples (after Stern, 2016)

由于早期強(qiáng)烈的增生、分異、撞擊和放射性，硅酸鹽質(zhì)行星開始變熱，熾熱的年輕行星隨著時(shí)間的推移慢慢冷卻，而這種緩慢冷卻反映在巖石圈緩慢增厚(Anderson，1995)。巖石圈厚度是由1200～1300℃等溫線的深度決定，而等溫線會隨著地球的冷卻而加深。其下在軟流圈中發(fā)現(xiàn)了又熱又弱的橄欖巖。作為冷卻和漸進(jìn)的巖石圈增厚的結(jié)果，硅酸鹽質(zhì)行星可能會經(jīng)歷幾種巖漿構(gòu)造樣式，而板塊構(gòu)造僅是其中之一。圖1所示的行星構(gòu)造樣式序列只是建議(Stern, 2016)，與來自其他行星，如月球、木衛(wèi)一、金星及地球現(xiàn)在的構(gòu)造相一致。當(dāng)然，一顆剛剛被增生的行星可能有非常短暫時(shí)期存在的巖漿洋(Elkins-Tanton，2008)。

理論和觀測表明，在行星的早期演化中，以及在許多早期增生的小行星(planetesimals)中存在巖漿池或巖漿洋(magma ponds or oceans)。巨大增生撞擊過程中普遍存在明顯的融化現(xiàn)象，表明硅酸鹽和金屬物質(zhì)可以通過多次巖漿洋的發(fā)育，然后才能在一個(gè)星球上形成固態(tài)物質(zhì)。這是一種新的發(fā)展過程，因此，巖漿洋的形成和凝固強(qiáng)烈地影響著最早的星體成分和揮發(fā)分含量。

硅酸鹽類行星由于增生、分異、撞擊和放射性活動，使星體變熱，產(chǎn)生熔融，形成“巖漿洋”。足夠大的硅酸鹽體很可能有過壽命很短的巖漿洋，盡管巖漿洋可能僅僅存在于巖漿洋大部分凝固前的幾百萬年，并且地殼能夠形成固態(tài)的行星表面(Abe, 1997; Solomatov, 2007; Elkins-Tanton, 2012)。太陽系內(nèi)部存在巖漿洋的證據(jù)大致分為四類：第一，樣品的一些成分和礦物學(xué)特征表明早期存在廣泛的硅酸鹽熔融和隨后的分離結(jié)晶，月球、火星和灶神星(Vesta)就是這種情況；第二，樣品的結(jié)晶年齡可能接近初級行星形成的年齡范圍，～4.4Ga及之前，表明增生熱和輻射熱產(chǎn)生融化的可能性更大；第三，地殼和地幔巖石中的182W和142W含量可以暗示早期的地核形成僅需要較短的增生時(shí)間尺度，這可能對火星尤其正確；第四，行星地幔中親鐵元素的含量被認(rèn)為是由地核與地核形成后的增生條件所決定，巖漿洋環(huán)境中的地核形成為元素在金屬和硅酸鹽之間的平衡分配提供了制約。Ringwood (1966)提出，親鐵元素V、Cr和Mn在巖漿洋底部以還原形式進(jìn)入地核，從而可以確定它們的地幔豐度。這個(gè)模型要求金屬-硅酸鹽平衡發(fā)生在液態(tài)巖漿洋的底部，由于分配行為依賴于壓力和溫度，巖漿洋的深度將決定元素的地幔豐度(Righteretal., 1997; Righter and Drake, 1999; Righter and Chabot, 2011)。

Taylor and Norman (1992)提出巖漿洋可以用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來定義。首先，巖漿在流變性上表現(xiàn)為液體，具有足夠小的結(jié)晶分?jǐn)?shù)，使晶體懸浮在液體中，而不是熔融成網(wǎng)絡(luò)狀(network)。其次，巖漿覆蓋了天體的很大部分，可能超過10%(相當(dāng)于月球上60km深的巖漿洋，或地球上230km深的巖漿洋)。這些巖漿洋是由短壽命同位素的輻射熱在行星上產(chǎn)生的，也可能在更大的行星深處形成。

已分異和未分異的小行星半徑都在幾萬米到幾十萬米之間，在約10萬年內(nèi)可能有內(nèi)部巖漿洋，圖2顯示了從小行星到胚胎再到行星的增生過程，巖漿洋可能形成過多次，且熔融程度不一。人們普遍認(rèn)為，巖漿洋是行星演化最早階段的重大事件，對確定行星的初始成分和結(jié)構(gòu)具有很大的影響。

圖2 小行星到胚胎再到行星的分異和增生示意圖(據(jù)Elkins-Tanton, 2012)Fig.2 Differentiation and proliferation of planetesimal, embryo to planet (after Elkins-Tanton, 2012)

2 停滯蓋構(gòu)造(Stagnant lid tectonics)

在巖漿洋階段以后，硅酸鹽星球可能有兩種構(gòu)造模型：停滯蓋構(gòu)造和板塊構(gòu)造。停滯蓋構(gòu)造(O’Neilland Debaille, 2014; Sternetal., 2018)是一個(gè)單一的圍繞全球的板塊，星體基本完全是巖石圈，或者它是熱的和軟弱的，像現(xiàn)代金星巖石圈。圖1中中部的三個(gè)階段是停滯蓋構(gòu)造的變化形態(tài)——熱管(heat-pipe)、滴狀及柱狀體(drips and plumes)、拆沉及上涌流(delamination and upwelling)。

停滯蓋構(gòu)造從不穩(wěn)定到穩(wěn)定都可能存在，它們的序列對應(yīng)于增厚的巖石圈，厚度大致隨時(shí)間而增加。非常不穩(wěn)定的停滯蓋形成于冥古宙巖漿洋之后，直至地殼的出現(xiàn)。增厚的地殼隨時(shí)間而演化直至停滯蓋構(gòu)造不穩(wěn)定樣式的“熱管”構(gòu)造。熱管停滯蓋是基于木星(Jupiter)的觀察。熱管導(dǎo)致巖漿從地殼底部(基本沒有地幔巖石圈)上升，伴隨著冷的地殼的俯沖。這種狀態(tài)很像地球冥古宙早期，在巖漿洋以后形成大型硅酸鹽星體。由于增厚的初始火山地殼，塊狀玄武巖的堆積足夠厚，造成下沉至約40km的深度，形成重的榴輝巖，與Rayleigh-Taylor 的水滴“drips” 相似。當(dāng)冷卻繼續(xù)，地幔巖石圈在原始地幔底部開始生長。強(qiáng)巖石圈需要大規(guī)模的拆沉，因此循環(huán)的水滴和拆沉區(qū)被廣闊的地幔上涌或者柱體所覆蓋。增厚的巖石圈及大規(guī)模地幔上涌需要巖石圈斷裂使巖漿噴出。伴隨大規(guī)模巖石圈拆沉，星體連續(xù)冷卻，巖石圈連續(xù)增厚，這很像金星的停滯蓋以眾多活動的地幔柱和周期從300～500Ma的火山噴發(fā)占優(yōu)勢。

滴狀體和板片(slab)似乎伴隨大量火成活動和變形，像現(xiàn)代金星一樣。在巖石圈增厚這一階段，星球的進(jìn)一步冷卻將導(dǎo)致火星呈現(xiàn)現(xiàn)代構(gòu)造樣式，幾乎完全是一種穩(wěn)定的停滯蓋。僅有一些地幔柱從內(nèi)部到表層連續(xù)過渡，只是質(zhì)量和能量都很小。一個(gè)獨(dú)立的上升地幔柱在同一地點(diǎn)噴出的熔巖在數(shù)億年期間形成巨大的塔西斯(Tharsis)火山。

當(dāng)這些最后的地幔柱出現(xiàn)時(shí)，構(gòu)造樣式轉(zhuǎn)變?yōu)橥w的最后階段，以水星和月球最為典型。它們有超厚、超穩(wěn)定的巖石圈。在月球上約20億年沒有火山活動。因此從熱管到超穩(wěn)的停滯蓋的演化包括從活躍的幼年到構(gòu)造巖漿熄滅的星球演變過程。

板塊構(gòu)造啟動前的構(gòu)造體制目前仍然是未知的，部分學(xué)者根據(jù)地球化學(xué)、地質(zhì)和構(gòu)造，到古地磁，以及模擬方法和行星科學(xué)等數(shù)據(jù)研究進(jìn)展，提出停滯蓋狀構(gòu)造一詞來概括各種設(shè)想的體制。由O’Neill和Roberts組稿的特刊介紹了當(dāng)前蓋層構(gòu)造領(lǐng)域的研究概況，從詳細(xì)的野外解釋到全球概念模型、數(shù)據(jù)匯編和來自模擬的見解，提供了對前寒武紀(jì)地球和蓋層構(gòu)造動力學(xué)的獨(dú)特見解。有興趣的讀者可參閱地學(xué)前緣英文版2018年第9期有關(guān)“Lid tectonics”特刊。

3 有關(guān)板塊運(yùn)動啟動時(shí)間的不同認(rèn)識

Korenaga (2013)總結(jié)了地球板塊構(gòu)造開始運(yùn)行的10種不同觀點(diǎn)(圖3)，它們的時(shí)間范圍從>4.2Ga到0.85Ga。認(rèn)為板塊構(gòu)造始于冥古宙的有1種、始于始-古太古代的有3種、始于中-新太古代的有4種、始于新元古代的有2種。此外，還有一些學(xué)者提出板塊構(gòu)造是從古元古代才啟動，因此有關(guān)板塊運(yùn)動啟動時(shí)間至少有11種不同認(rèn)識。

圖3 從地球歷史時(shí)期的生命事件與關(guān)于板塊啟動時(shí)間的建議(據(jù)Korenaga, 2013; Kutschera and Niklas, 2004)Fig.3 Life events in the earth’s historical period and suggestions on the time of plate initiation (after Korenaga, 2013; Kutschera and Niklas, 2004)

作者在“關(guān)于板塊運(yùn)動啟動時(shí)間的爭論”一文(陸松年等，2016)中已對古元古代及新元古代板塊運(yùn)動啟動的觀點(diǎn)做過介紹，在此不做進(jìn)一步贅述，本節(jié)僅重點(diǎn)介紹板塊運(yùn)動啟動于地球早期冥古宙-太古宙的地質(zhì)學(xué)證據(jù)及特點(diǎn)。

3.1 板塊運(yùn)動始于冥古宙

大多數(shù)研究人員認(rèn)為地球自4.567Ga誕生以來一直被海洋和大氣覆蓋。然而最近的研究則對此有了新的認(rèn)識，Maruyama and Ebisuzaki (2017)將發(fā)生在冥古宙時(shí)期的后重轟炸事件(LHB: Late Heavy Bombardment)重新定義為生命元素巨變撞擊事件(ABEL Bombardment: The Advent of Bio-Element Bombardment)，并提出這是早期地球進(jìn)化為生命行星的最重要事件。冥古宙早期以干燥的巖石星球?yàn)樘卣?，沒有海洋和大氣。這一時(shí)期出現(xiàn)還原性行星非常重要，當(dāng)還原性物質(zhì)和氧化性物質(zhì)混合時(shí)即可出現(xiàn)新陳代謝作用，可導(dǎo)致生命的出現(xiàn)。中期從整個(gè)地球歷史上最重要的事件開始，那就是由木星、土星和另外一個(gè)已經(jīng)消失的氣體巨星對小行星帶的引力擾動引起的碳質(zhì)球粒隕石撞擊生物元素的出現(xiàn)。通過地球上水組分的積累，第一次出現(xiàn)了原始海洋，啟動了地球上的板塊構(gòu)造，這一事件被稱為生命元素巨變撞擊。在這一重大事件之后，地球進(jìn)入冥古宙晚期，并隨著板塊構(gòu)造驅(qū)動的全球物質(zhì)循環(huán)而出現(xiàn)了生命。此外，ABEL撞擊可能是板塊構(gòu)造活動的觸發(fā)器，也可能啟動了生命出現(xiàn)時(shí)的新陳代謝作用。在重新定義這一重大事件的基礎(chǔ)上，Maruyamaetal. (2017, 2018)將冥古宙劃分為3個(gè)時(shí)期，即早期(4.567～4.37Ga)，從干地球形成時(shí)代到生命元素巨變撞擊事件；中期(4.37～4.20Ga)，ABEL撞擊時(shí)期；以及后期(4.20～4.0Ga), ABEL撞擊后和生命出現(xiàn)時(shí)期。

Maruyama and Ebisuzaki(2017)則討論了地球早期形成的兩階段模型(圖4)。他們提出4567Ma時(shí)的地球是干的星球，沒有大氣圈和大洋；后來生命元素如C、H、O、N在4370～4200Ma生命元素巨變撞擊事件期間大量形成。這種兩階段的地球形成模型稱為生命元素巨變模型(ABEL Model)。

圖4 地球歷史中從停滯蓋構(gòu)造到板塊構(gòu)造形成的圖解模型(據(jù)Maruyama and Ebisuzaki，2017)(a)4.567Ga層狀構(gòu)造在4.53Ga 巖漿洋的固化后具停滯蓋構(gòu)造，直到4.37Ga ABEL撞擊；(b)4.37Ga由于ABEL撞擊形成的初始撞擊構(gòu)造延續(xù)至4.20Ga，包括巨大規(guī)模的小行星產(chǎn)生的驚人的沖擊波、破裂的剛化大陸殼和3000～10000km直徑的撞擊坑；(c)ABEL撞擊導(dǎo)致大洋巖石圈的形成和榴輝巖化導(dǎo)致板塊構(gòu)造的啟動；(d)從停滯蓋過渡到板塊構(gòu)造，最終ABEL撞擊導(dǎo)致了板塊構(gòu)造的形成Fig.4 Schematic model of the history of Earth from stagnant lid to plate tectonics (after Maruyama and Ebisuzaki, 2017)

除上述作者外，Ernst (2017)也認(rèn)為板塊運(yùn)動啟動于冥古時(shí)期，他將地史演化過程中地球動力學(xué)劃分為4階段(圖5)，即前板塊階段(約4.5～4.4Ga)、小板塊階段(約4.4～2.7Ga)、超大陸階段(約2.7～1.0Ga，原板塊)和威爾遜-現(xiàn)代板塊演化階段(1.0～0.0Ga)。他認(rèn)為匯聚陸殼邊緣的成因和縫合至少在大陸碎塊中保存的4.0Ga的原始大陸開始已造成淺俯沖 (Ernst, 2017)。拼接的太古宙殘留洋和鈣堿性弧帶以及硅鋁質(zhì)大陸的碰撞-增生支持板塊構(gòu)造的運(yùn)行。顯生宙阿爾卑斯山和太平洋匯聚帶是地球早期花崗巖-綠巖帶和英云閃長質(zhì)片麻巖地體中板塊構(gòu)造的相似物。根據(jù)這些地質(zhì)關(guān)系和翻轉(zhuǎn)地幔的熱演化，原作者認(rèn)為原始板塊構(gòu)造作用從約4.4Ga巖漿洋的冷凝開始己經(jīng)參與了地球的演化。

圖5 地球殼幔系統(tǒng)過渡階段演化的示意圖(據(jù)Ernst, 2017)Fig.5 Schematic, transitional stages in evolution of the terrestrial crust-mantle system (after Ernst, 2017)

3.2 始-古太古代的板塊運(yùn)動

板塊運(yùn)動啟動于冥古宙時(shí)期的假設(shè)主要來自地球早期鋯石礦物學(xué)的研究成果，而更多的學(xué)者則是從太古宙地質(zhì)露頭中尋找板塊運(yùn)動的遺跡，提出太古宙不同時(shí)期板塊運(yùn)動啟動的證據(jù)。由于始-古太古地質(zhì)體主要出露在幾個(gè)很古老克拉通的變質(zhì)基底中，如格陵蘭、西澳大利亞、南非、北美等地，因此，從這些古老克拉通變質(zhì)基底中陸續(xù)產(chǎn)生了一些新的成果以及與前人傳統(tǒng)觀點(diǎn)不同的認(rèn)識。

格陵蘭伊蘇阿(Isua)表殼巖帶是全球時(shí)代最老的表殼巖(Nutmanetal., 1984)，分為兩套構(gòu)造地層單位：未分異的斜長角閃巖(UA)和加本斯酋長(Garbenschiefer)斜長角閃巖(GA)(Polatetal.，2002)。UA中包含了典型的彭羅斯型蛇綠巖巖石組合，而GA則主要由未成熟島弧的火山碎屑巖和火山巖組成。兩套單位的地球化學(xué)特征差異很大，UA中的枕狀熔巖和巖墻顯示與西阿爾卑斯山-亞平寧山脈(Alps-Apennines)蛇綠巖中和大火成巖型的(與)加勒比地區(qū)(Caribbean)有關(guān)的蛇綠巖中典型的MORB地球化學(xué)特征。GA則以島弧拉斑玄武巖和類玻安巖為特征，巖漿演化可與地中海地區(qū)SSZ型蛇綠巖對比。Furnesetal.(2009)認(rèn)為UA單元與海底擴(kuò)張期原始至分異的地幔熔融有關(guān)，受到低到中等俯沖作用影響，而稍晚時(shí)期形成的GA單元中島弧拉斑玄武巖和類玻安巖則與受到俯沖作用強(qiáng)烈影響的虧損和含水地幔熔融有關(guān)。原作者認(rèn)為伊蘇阿表殼巖帶中UA和GA分別是SSZ型蛇綠巖早期和晚期的產(chǎn)物，表明顯生宙板塊運(yùn)動過程在3800Ma的始太古代已經(jīng)運(yùn)行。

此外，西格陵蘭南部的Ivisaartoq綠巖帶包括各類變質(zhì)、變形的玄武巖、橄欖巖、蛇紋石化超基性巖、輝長巖、富硫化物的硅質(zhì)層和少量硅質(zhì)碎屑沉積巖。這些巖類在2963～3075Ma期間至少經(jīng)歷過兩個(gè)階段的鈣-硅質(zhì)交代和多期變形。交代作用較弱的枕狀玄武巖、橄欖巖、輝長巖和閃長巖具富LREE、近水平的HREE和HFSE(特別是Nd)虧損的痕量元素模式，指示俯沖帶的地球化學(xué)特征。超基性巖枕和堆晶巖呈現(xiàn)明顯的εNd(t)正值，從+1.3 至+5.0，符合強(qiáng)烈虧損的地幔源特征。Ivisaartoq綠巖帶與顯生宙弧前蛇綠巖地質(zhì)特征的相似性指示西格陵蘭Ivisaartoq綠巖帶代表了古太古代上俯沖帶(SSZ)型洋殼的存在。西格陵蘭具有洋殼特征的蛇綠巖的存在，指示了板塊運(yùn)動過程中洋板塊的消亡和陸殼的形成，說明在地球演化過程中，某些地區(qū)從古太古代已進(jìn)入板塊機(jī)制(Polatetal.，2011)。

3.3 中-新太古代的板塊運(yùn)動

西澳皮爾巴拉(Pilbara)克拉通是世界上太古宙地質(zhì)體保存最好的地質(zhì)單元之一，巖石記錄從古太古代至新太古代。如果板塊構(gòu)造運(yùn)動過程從太古宙啟動，皮爾巴拉克拉通則是研究這一過程最好的野外實(shí)驗(yàn)室。

東皮爾巴拉古太古代巖石構(gòu)成克拉通的古陸核，3520～3250Ma基性和中性火山巖的地球化學(xué)特征指示與現(xiàn)代俯沖過程差異較大，而與地幔柱背景更相似。但其中有些層序表現(xiàn)出與現(xiàn)代俯沖帶巖漿作用的地球化學(xué)特征相吻合。西皮爾巴拉克拉通與東皮爾巴拉克拉通的巖石地層、地球化學(xué)和構(gòu)造樣式存在明顯反差。從西皮爾巴拉克拉通以及賦存德格雷(De Grey)超群的盆地提供了與現(xiàn)代俯沖過程相似的有力證據(jù)。覆蓋在古老的東克拉通陸核的西和北部邊緣的西部火山巖地層形成帶狀，巖漿既源于虧損地幔源，又同時(shí)具有富集的地球化學(xué)雙重特征，因此不能用地殼混染來進(jìn)行解釋。重要的是該區(qū)具有的與現(xiàn)代俯沖過程相似的證據(jù)。盡管地球化學(xué)不是唯一可信的證據(jù)，但它也來自其他幾個(gè)獨(dú)立的地質(zhì)學(xué)證據(jù)，包括線狀巖漿的和構(gòu)造組構(gòu)、外來綠巖帶的存在，以及廣泛發(fā)育的同位素特征上與初生地殼更接近的地質(zhì)體。這些綜合特征沿3120Ma 東皮爾巴拉的西北緣出現(xiàn)，最可能位于洋內(nèi)弧的構(gòu)造背景。其后該地體增生到東皮爾巴拉陸核之上，形成2970～2950Ma的德格雷(De Grey)超群玄武巖-高鎂閃長巖套。東皮爾巴拉廣泛存在的中太古代組合顯示了板塊構(gòu)造過程，與現(xiàn)代匯聚大陸邊緣特征十分相似，指示3120Ma的具現(xiàn)代洋弧特征的西皮爾巴拉，于2.97Ga拼貼(俯沖)至東皮爾巴拉的西北緣，并在東、西皮爾巴拉之間形成時(shí)代稍晚的盆地沉積(Mallina basin)，表明現(xiàn)代樣式的板塊俯沖作用的誕生至少從中太古代業(yè)已啟動(Smithiesetal.，2007)。

近年來，Geryaetal.(2015)通過金星上的地貌圖像研究，認(rèn)為在金星上存在幔柱誘導(dǎo)類似俯沖構(gòu)造的現(xiàn)象，并進(jìn)而推測前寒武紀(jì)早期地球上的幔柱活動造成了板塊運(yùn)動最初啟動所需的條件。Geryaetal.(2015)提出板塊構(gòu)造之前的構(gòu)造活動可能形成類似金星的停滯蓋，如巖石圈分層、滴狀構(gòu)造，“板內(nèi)”巖石圈伸展或地幔柱上升流等。那些能量很大的地幔熱柱柱頭所提供的能量弱化了其上部的巖石圈，造成巖石圈邊緣被撕裂，隨后，水則開始蔓延至整個(gè)巖石圈并起到潤滑效果，進(jìn)而引發(fā)俯沖。這樣的地幔柱很可能就存在于更熱的太古宙早期地幔中，而且可能產(chǎn)生了厚大的洋底巖漿高原，造成全球板塊構(gòu)造的啟動。前寒武紀(jì)時(shí)期幾次非常強(qiáng)烈的地?；顒訉?yīng)于地球初生地殼形成的高峰期，其中最大的一次是在太古宙早期從停滯蓋構(gòu)造向板塊構(gòu)造過渡時(shí)的構(gòu)造活動，可能主導(dǎo)了地殼的地球動力學(xué)過程。在一些太古宙綠巖帶從以地幔柱為主到巖漿弧的地殼生長過程則提供了地幔柱活動與俯沖有關(guān)的地質(zhì)學(xué)證據(jù)。另外，Tangetal.(2016)基于對鎂元素相關(guān)的微量元素的比值分析，認(rèn)為太古宙～3.0Ga上地殼由鎂鐵質(zhì)向長英質(zhì)的過渡標(biāo)志著板塊運(yùn)動的開始。

板塊運(yùn)動始于新太古代有較多的巖石學(xué)和地球化學(xué)證據(jù)，文獻(xiàn)中越來越多地報(bào)道了全球一些重要克拉通上存在新太古代板塊運(yùn)動的地質(zhì)記錄。俯沖帶是板塊運(yùn)動存在的重要證據(jù)，其巖漿作用的產(chǎn)物包括島弧拉斑玄武巖、鈣堿性玄武巖、玄武巖-安山巖-英安巖-流紋巖組合、玻安巖、苦橄巖、硅質(zhì)高鎂玄武巖、埃達(dá)克巖、高鎂玄武巖和富鈮玄武巖等(Polat and Kerrich，2006；Lietal.，2013；Manikyambaetal.，2015)。伊豆-小笠原-馬里亞納前弧中包括玻安巖在內(nèi)的巖漿巖組合的研究成果也引起中國前寒武地質(zhì)研究工作者的高度重視。在中國華北克拉通各個(gè)陸塊內(nèi)(陰山、冀遼、陜豫皖、渤海東及魯西陸塊等)的新太古代地質(zhì)體中發(fā)現(xiàn)了越來越多的與板塊運(yùn)動有關(guān)的巖石學(xué)和構(gòu)造方面的證據(jù)，如從陰山陸塊色爾騰山巖群中識別出的富Nb玄武巖和高鎂安山巖等兩類具有特殊構(gòu)造意義的巖石，指示洋內(nèi)弧巖石組合的存在(陳亮，2007)。在魯西新太古代硅質(zhì)高鎂玄武告的鑒別(Pengetal.，2013)，以及山西五臺山新太古代高鎂安山巖(張永忠等，2012)的識別等均為中國華北克拉通新太古代板塊運(yùn)動的啟動提供了重要信息(Kuskyetal.，2016)。

3.4 其他重要觀點(diǎn)

Zhai and Peng(2020)認(rèn)為盡管地球上最古老的巖石在約4.0Ga，甚至約4.4Ga前已經(jīng)形成，但板塊構(gòu)造的啟動要年輕得多。并根據(jù)對華北克拉通的研究提出了板塊構(gòu)造三階段演化模型，即初始板塊構(gòu)造階段、早期板塊構(gòu)造階段和現(xiàn)代板塊構(gòu)造階段。初始板塊階段是穿時(shí)的，約發(fā)生于3.0 (2.7)～2.5Ga時(shí)期。在多個(gè)微大陸生長后，通過周邊綠巖帶拼接形成超級克拉通，在綠巖帶中發(fā)育了含條帶狀鐵建造(BIF)的火山-沉積序列。洋盆的下沉很可能是由于條帶狀鐵建造(BIF)高密度和負(fù)浮力而引起。BIF的下沉導(dǎo)致地殼尺度的綠巖帶俯沖，造成低級至中級變質(zhì)作用。與此同時(shí)，廣泛的下地殼的深熔作用導(dǎo)致華北最終的克拉通化。早期板塊構(gòu)造發(fā)生于約2.0～1.85Ga，以線性構(gòu)造帶的出現(xiàn)為標(biāo)志，部分經(jīng)歷了高壓麻粒巖到(超)高溫麻粒巖。密度相對較高的巖石甚至可能經(jīng)歷了從麻粒巖相向榴輝巖相轉(zhuǎn)變的變質(zhì)作用，代表陸殼下沉到下地殼?，F(xiàn)代板塊構(gòu)造的過程在新元古代晚期出現(xiàn)，以剛性為代表，巖石圈在流變性較弱的軟流圈上運(yùn)動，出現(xiàn)了以藍(lán)片巖和榴輝巖相為標(biāo)志的深俯沖作用。

一些學(xué)者強(qiáng)調(diào)變質(zhì)作用在研究板塊活動中的重要意義，如Zheng and Zhao(2020)指出板塊邊緣的動力狀態(tài)和熱狀態(tài)共同決定了區(qū)域變質(zhì)作用的性質(zhì)。這兩個(gè)變量在地球歷史上是長期演化的，記錄在變質(zhì)相系全球分布隨時(shí)間的變化中，從而導(dǎo)致兩種范式的板塊構(gòu)造?，F(xiàn)代型板塊構(gòu)造(modern-style plate tectonics)是從新元古代以來發(fā)展起來的，當(dāng)時(shí)板塊邊緣足夠堅(jiān)硬，可以進(jìn)行冷俯沖；而古板塊構(gòu)造(ancient-style plate tectonics)是從太古宙以來發(fā)展起來的，當(dāng)時(shí)板塊邊緣具有足夠的韌性，可以進(jìn)行熱俯沖。這種差異主要是由太古宙比顯生宙更高的地幔溫度決定的。

4 結(jié)語

地球是太陽系所有行星中唯一具有正在活動的板塊構(gòu)造系統(tǒng)，其特點(diǎn)是既有海洋，又有廣泛分布的花崗巖大陸。在啟動和運(yùn)行板塊構(gòu)造的各種因素中，最關(guān)鍵的是水的存在。大洋的活動觸發(fā)了板塊構(gòu)造的活動，促進(jìn)了海溝洋板塊的俯沖和TTG(英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖)巖漿的產(chǎn)生。地球是在4.567Ga形成后的幾百萬年內(nèi)通過廣泛增生而形成的干燥還原性行星。在這一時(shí)期結(jié)束時(shí)，地球在干燥條件下出現(xiàn)了被稱為巖漿洋的大范圍熔融，巖漿洋之后出現(xiàn)了“停滯蓋”構(gòu)造。這是一個(gè)單一的、圍繞全球的板塊，基本由巖石圈組成。在停滯蓋破壞前，曾發(fā)育熱管、滴狀及柱狀體、拆沉及上涌流等構(gòu)造形態(tài)。在生命元素巨變撞擊的早期階段，1000km寬的撞擊體轟擊了地球，摧毀了堅(jiān)硬的大陸巖石圈——這一自地球形成以來一直在運(yùn)轉(zhuǎn)的停滯的蓋層構(gòu)造。由于巨大的撞擊造成太平洋級隕石坑的巨大破壞，地史中第一次在地球表面產(chǎn)生了大洋巖石圈。冥古宙早期停滯的蓋層構(gòu)造遭到嚴(yán)重破壞，在地球上產(chǎn)生了由大洋和大陸組成的雙模態(tài)巖石圈，使板塊構(gòu)造得以運(yùn)行。生命元素巨變撞擊引起原始陸殼上部和下部的榴輝巖化作用，使俯沖的啟動產(chǎn)生了強(qiáng)烈的板片拉力，地球從停滯蓋構(gòu)造轉(zhuǎn)向板塊構(gòu)造。

本文簡略介紹前板塊構(gòu)造的“巖漿洋”和“停滯蓋”構(gòu)造的定義及特點(diǎn)，以及觸發(fā)板塊構(gòu)造啟動的撞擊作用，特別是生命元素巨變撞擊事件的重要意義，但地學(xué)界對這一事件的意義仍有不同認(rèn)識和評價(jià)。因而，除介紹板塊運(yùn)動啟動于冥古宙時(shí)期的認(rèn)識外，還根據(jù)地球上不同地點(diǎn)保存的太古宙的巖石組合和地球化學(xué)等信息，介紹板塊運(yùn)動于始-古太古代和中-新太古代等不同時(shí)期啟動的地質(zhì)學(xué)證據(jù)。由于廣泛而強(qiáng)烈的撞擊及其它地質(zhì)作用，板塊運(yùn)動初期的地質(zhì)記錄難以保存，因此板塊何時(shí)、何地及如何啟動仍然在不斷爭論和探索中。由于作者知識水平的制約，很難對板塊運(yùn)動何時(shí)啟動等如此重大科學(xué)問題進(jìn)一步詳細(xì)論述，在列舉的參考文獻(xiàn)中也難免掛一漏萬，深望讀者見諒。

謹(jǐn)以此文祝賀沈其韓院士百歲壽辰！沈其韓先生畢生從事前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)和變質(zhì)巖地質(zhì)學(xué)的科研工作，并取得卓越的成就。沈先生為人正直、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，無論在學(xué)術(shù)還是在處世上都是一面旗幟，永遠(yuǎn)是我們學(xué)習(xí)的榜樣。唯愿先生福如東海，壽比南山，繼續(xù)為地質(zhì)科學(xué)做貢獻(xiàn)！