地球早期大陆地壳的形成与演化_樊海龙.pdf

第 6 9 卷第 2 期2 0 2 3 年 3 月地质论评GEOLOGICAL EVIEWVol 69No 2March，2 0 2 3注:本文为国家自然科学基金资助项目(编号:41872226、41303027)和陕西省自然科学基础研究计划(编号:2022JM249)的成果。收稿日期:2022-06-20;改回日期:2022-10-07;网络首发:2022-10-20;责任编辑:章雨旭。Doi:1016509/jgeoreview202210055作者简介:樊海龙，男，1994 年生，博士研究生，助理研究员，主要从事构造地质学研究;Email:geofhl 126com。地球早期大陆地壳的形成与演化樊海龙1，2)，杨高学3)，郭建明4)，马雪云4)，刘翔5)1)大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系，西安，710069;2)道路施工技术与装备教育部重点实验室，长安大学工程机械学院，西安，710064;3)西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，长安大学地球科学与资源学院，西安，710054;4)甘肃省油气资源研究重点实验室，中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州，730000;5)中国地震局第二监测中心，西安，710054内容提要:现代地球岩石圈主要由镁铁质上地幔和长英质地壳两个储集层组成，研究大陆地壳的形成和演化对揭示地球早期地质过程和物质循环、厘定板块构造启动时限具有重要意义。冥古宙始太古代具有更高的地幔潜能温度和地温梯度，岩浆海冷却形成薄的原始地壳;大洋岩石圈表现为韧性，主要构造机制应为停滞盖层模式，有地幔柱参与。太古宙片麻岩中奥长花岗岩英云闪长岩花岗闪长岩(TTG)的出现标志着镁铁质原始地壳向长英质陆壳转变的开始。本文总结了地球早期停滞盖层模式到现代板块构造模式下含水玄武岩部分熔融、结晶分异形成大陆地壳的过程，主要包含幔源岩浆停滞盖层(“自下而上”的热管火山岩和“自上而下”的深成侵入岩构造模式)、增厚镁铁质地壳部分熔融、俯冲洋壳、岛弧及洋底高原部分熔融模式;陆壳的破坏和消减主要受陨石撞击、分层沉降、重力不稳导致拆沉控制;板块构造的出现进一步促进了地球内部的热量扩散，俯冲作用加快了洋壳和陆壳之间的物质循环。最后，结合太古宙变质岩、古老克拉通岩石学特征和锆石 Hf、O 及全岩 Nd、Sr、Ar、Ti 同位素组成，讨论了陆壳的形成时间和演化过程:3.0 Ga 之前形成了现有陆壳体积的 60%70%，厚度约为 2040 km;3.02.5 Ga，地壳改造速率明显增加，陆壳生长和破坏速率达到动态平衡，表明全球性现代板块构造体制逐渐成为控制大陆形成、裂解和陆壳演化的主要因素。关键词:大陆起源;陆壳演化;部分熔融;板块构造;地幔潜能温度;TTG 岩系地球是一个动态的、不断演化的系统，地表和固体圈层内部通过一系列物质交换和能量循环相互作用:陆壳和岩石圈的形成与演化受地球内部的热状态和外部动力(如太阳辐射)共同调节，内部热动力促进了陆壳和洋壳的分异、岩石圈组分和结构的变化，以及与水圈、大气圈和生物圈的相互作用(Arndtand Davaille，2013;杨 文 采 和 宋 海 斌，2014;Tatsumi et al，2015;Fischer and Gerya，2016;Hawkesworthet al，2017;Zhu ixiang et al，2021;赵国春和张国伟，2021)。地球是目前所知唯一发生板块构造运动的行星，太阳系中只有地球拥有以花岗质岩石为主的陆壳;大陆地壳最标志性的岩石是花岗岩，花岗岩的出现揭示了大陆地壳和大洋地壳的相互转换及地壳和地幔之间的物质循环(王守旭等，2006;林 杨 挺，2010;Tang Ming，2016;Spencer et al，2017;Stern，2018a;Stern，2018b;Cawood，2020;Palin and Santosh，2021;孙卫东等，2021;赵国春和张国伟，2021)。大陆地壳演化的根本问题是陆壳的形成、生长、保存和破坏，包括陆壳的稳定化、成熟化、壳幔循环和洋陆转换，陆壳的形成方式和形成时间是最核心也是争议最大的问题之一(Dewey，2007;ozel etal，2017;Mole et al，2019;万天丰，2019;翟明国等，2020;李忠海等，2020;王孝磊等，2020)。如果将熔融产物从地幔转移到地壳视为生长，那么大陆地壳的生长主要与地幔分异、岛弧、热点、裂谷产生的岩浆作用有关。由于地球热动力状态变化，地球分层、地幔温度降低，大陆岩石圈由热的、韧性状态变为冷的、稳定的刚性岩石圈(Martin et al，2005;Tatsumi et al，2015;Tang Ming et al，2016;Mole et al，2019)，地球构造体制也从早期太古宙停滞盖层模式转化为现代板块构造模式(Muller，2011;Wang Shimin et al，2018;李三忠等，2019;Arnould et al，2020;陈凌等，2020;翟明国等，2020;孙卫东等，2021)，地幔热对流从早期的全地幔对流(图 1a)演变到现代双层对流(图 1b)(Hoffmann et al，2019)，不同构造背景下陆壳的主要生长方式也不同。图 1 地幔对流和地幔柱模型(据 Courtillot et al，2003;Hoffmann et al，2019 修改)Fig1 Model of mantle convection and plumes in the Earth(modified from Courtillot et al，2003;Hoffmann et al，2019)(a)地球早期(3.63.2 Ga)地幔大对流，地幔没有明显分层;(b)现代地球上超级地幔柱和双层对流，上地幔和下地幔分层对流，超级地幔柱从下地幔上升形成热点。深部地幔柱从核幔边界上升形成夏威夷岛、留尼汪岛等热点，或非洲、太平洋下的超级地幔柱;超级地幔柱衍生出的次级地幔柱分散形成火成岩省;浅部地幔柱从上地幔处上升，造成岩石圈分层，进一步驱动碰撞造山带崩塌或弧后裂谷的形成(a)Model of large mantle convection and plumes in early Earth(3.63.2 Ga)，and the mantle is not significantly stratified;(b)Types of supermantle plumes and mantle bidirectional convection in the modern Earth The upper mantle and lower mantle are stratified by convection，and thesuper mantle plumes rise from the lower mantle to form hot spots deep mantle plumes rise from the coremantle boundary，forming hotspots suchas those of Hawaii and eunion or large plumes(superplumes)，such as those under Africa and the Pacific;secondary plumes may emerge fromthese large plumes forming discrete igneous provinces;shallow mantle plumes may rise from the upper mantle，as a result of lithosphericdelamination，following the collapse of collision orogens or in back-arc rifts现代地球地壳主要由火成岩分异形成的两个硅酸盐储集层组成:地幔主要成分为超镁铁质，没有经历(或极少量)火成岩分异作用;地壳经历一定程度的分异作用，成分从镁铁质到长英质都有发育。但这种分异的机制、初始陆壳形成的时间以及大洋地壳和大陆地壳形成时间的先后问题仍存在争议(Polat，2012;Cawood et al，2013;ozel et al，2017;Spencer et al，2017;孙卫东等，2021)。从冥古宙零星出露的 Jack Hills 变质沉积岩到新生代大规模火成岩省，岩石学为研究全球陆壳演化、揭示地球早期地质问题、认识岩石圈物质组成提供了重要依据(Straub and Zellmer，2012;Spencer et al，2017;Balica et al，2020;Ge ongfeng et al，2020)。现存地壳体积的 60%70%都是在 3.0 Ga之前产生的(Taylor and McLennan，1995;Clift etal，2009)，在地表出露的太古宙地壳中，90%由片麻岩组成，其中包含多种成因的花岗岩类(Moyen，2011)，这些花岗岩普遍富 Na 贫 K，为石英闪长岩奥长花岗岩花岗闪长岩(TrondhjemiteTonaliteGranodiorite，TTG 岩系)(Jahn et al，2006;Lin Xinet al，2022)。太古宙 TTG 的形成代表了以镁铁质岩石为主的原始地壳向长英质大陆地壳转化的开始(Spencer et al，2017;Hawkesworth et al，2020)。虽然有关地球上现存古老变质带和火山岩地球化学特征等方面已开展了非常详实的研究(Taylor andMcLennan，1995;Cawood et al，2013;Spencer etal，2017;Hoffmann et al，2019;Diwu Chunrong，2021)，但只有少数研究充分考虑了地球早期热状076地质论评2023 年态对岩石圈演化和构造背景的约束。如何将已取得的成果、模型应用到全球范围内，成为研究陆壳演化的重点和难点问题。基于对全球火山作用、变质作用和地球热动力、数值模拟等方面的研究成果，本文梳理了不同构造背景下大陆地壳的生长方式和演化过程，厘定了陆壳形成的时间并讨论了地球早期的热历史，对揭示地球早期板块构造启动时间和构造过程具有重要意义(万天丰等，2019;翟明国等，2020;王孝磊等，2020;Zheng Yongfei and ZhaoGuochun，2020;赵国春和张国伟，2021)。1研究现状大陆地壳平均年龄为 2.0 Ga，比最老的洋壳年龄(平均约 180 Ma)大一个数量级(在爱奥尼亚和地中海盆地发现的最古老的洋壳年龄为 270 230Ma)(Muller and Torsvik，2006;Hawkesworth andBrown，2018)，古老的洋壳几乎全部随着俯冲带进入地幔再循环。因此，理论上讲研究地球早期大陆地壳的组成和结构要比大洋地壳简单的多(de Witet al，1992;Martin，1999)。然而，地球早期洋壳主要由幔源岩浆海表面冷却演化而来，组分和厚度变化相对单一，相比之下大陆地壳的形成和演化更加随机、更加复杂(Arndt and Davaille，2013;Shervaiset al，2015;Spencer et al，2017)，很多古老的岩石在后期地质过程中被改造(如变质作用或部分熔融)(Palin et al，2020)，能直接揭示太古宙以前地壳演化的证据非常有限，使得冥古宙到太古宙壳幔相互作用的研究充满挑战，成为地球科学的前沿问题(王守旭等，2006;Hamilton，2010;Condie andKroner，2013;Huang Hua et al，2013;Zeh et al，2014;杨文采和宋海斌，2014;Keller and Harrison，2020)。地球上保存最古老的地质记录来