近日，中科院海洋所深海中心孫衛(wèi)東課題組聯(lián)合澳大利亞科廷大學(xué)、西澳大利亞地質(zhì)調(diào)查局，在地質(zhì)歷史時期地幔熱狀態(tài)演化與板塊構(gòu)造樣式轉(zhuǎn)變的研究上取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在地學(xué)Nature Index期刊Earth and Planetary Science Letters。
板塊構(gòu)造在何時開始、之后如何演化、以及何時轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代樣式的板塊構(gòu)造，是研究宜居地球形成和演化的關(guān)鍵問題之一。其中，地幔溫度是控制巖石圈物理化學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造活動的首要因素。在太古宙時期，上地幔溫度比今天高出約200 C，但是在漫長的地質(zhì)歷史時期中，上地幔溫度的下降始終被認(rèn)為是一個漸變過程。
陸內(nèi)玄武巖是軟流圈地幔減壓熔融的產(chǎn)物，其地球化學(xué)成分記錄著巖漿形成時的溫度和壓力條件，能夠反映軟流圈地幔的熱狀態(tài)。在地幔熔融壓力相對穩(wěn)定的情況下，地幔潛在溫度(TP, mantle potential temperature, 指對流地幔沿著絕熱梯度線延伸到地表的溫度)直接控制著軟流圈地幔的部分熔融程度，地幔潛在溫度降低會導(dǎo)致部分熔融程度降低。研究人員根據(jù)pMELTS模擬地幔熔融過程，發(fā)現(xiàn)玄武巖的堿性指數(shù)AI [=全巖(Na2O + K2O)2/(SiO2 – 35), wt%]可以用來指示地幔部分熔融的程度以及溫度壓力條件。在特定的熔融壓力下，隨著地幔潛在溫度的降低，部分熔融程度降低，熔體的AI值升高?；谝陨险J(rèn)識，作者從EarthChem數(shù)據(jù)庫中收集并整理了全球陸內(nèi)玄武巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計學(xué)方法計算出近10億年來全球陸內(nèi)玄武巖平均AI值隨時間的演化(圖1A)，結(jié)果顯示其在成冰紀(jì)-埃迪卡拉紀(jì)時期(7.2-5.4億年前)發(fā)生了明顯的升高，全球陸內(nèi)玄武巖的平均Na2O和K2O含量的變化也呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律(圖1B)。
圖1 全球陸內(nèi)玄武巖地球化學(xué)成分的變化
雖然陸內(nèi)玄武巖的平均AI值不能直接換算為地幔潛在溫度的絕對數(shù)值，但是能夠指示地質(zhì)歷史時期地幔潛在溫度的相對變化。因此，可進(jìn)一步利用前人對地幔潛在溫度的測定結(jié)果與全球陸內(nèi)玄武巖的平均AI值進(jìn)行擬合，模擬了近10億年來地幔潛在溫度隨時間的變化規(guī)律(圖2A)。結(jié)果顯示在成冰紀(jì)之前(10-7.2億年前)地幔潛在溫度基本保持穩(wěn)定，反映了地球中年時期(Earth's middle age)板塊構(gòu)造活動的減弱和造山作用的沉寂。但在成冰紀(jì)-埃迪卡拉紀(jì)時期(7.2-5.4億年前)地幔潛在溫度迅速下降了約50 ；而后在顯生宙時期(5.4億年前至今)，地幔潛在溫度逐漸下降。本研究發(fā)現(xiàn)的新元古代晚期地幔降溫事件與Condie等 (2016)獲得的虧損地幔巖漿生成溫度(Tg, magma generation temperature)的演化歷史相一致(圖2B)。這次地幔降溫事件的發(fā)生與前人根據(jù)低T/P變質(zhì)巖石記錄(圖2C)所定義的現(xiàn)代板塊構(gòu)造開始的時代高度重合，反映了現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動可能是造成地幔潛在溫度快速下降的重要原因。成冰紀(jì)及埃迪卡拉紀(jì)初期，雪球地球的融化導(dǎo)致大量的沉積物堆積在海溝，對板塊俯沖可能起到了潤滑作用，加快了板塊俯沖的速率。在現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制下，大量冷的大洋巖石圈俯沖進(jìn)入地幔，從而造成了地幔潛在溫度的快速降低。
圖2 地幔熱狀態(tài)的演化歷史
論文第一作者為海洋所博士研究生陳茜，通訊作者為劉鶴研究員。研究得到國家自然科學(xué)基金(42073011)和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室開放基金(GPMR201903)聯(lián)合資助。
論文信息：Qian Chen, He Liu*, Tim Johnson, Michael Hartnady, Christopher L Kirkland, Yongjun Lu, Wei-dong Sun. (2022) Intraplate continental basalts over the past billion years track cooling of the mantle and the onset of modern plate tectonics, Earth and Planetary Science Letters.
https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117804.
