根據(jù)現(xiàn)今板塊構(gòu)造的地質(zhì)地球化學(xué)研究和地球物理資料，科學(xué)家總結(jié)出一些板塊構(gòu)造公認(rèn)的識(shí)別標(biāo)志，包含地球化學(xué)特征、高壓變質(zhì)作用、洋殼殘片/蛇綠巖、古地磁等方面。這些標(biāo)志和指標(biāo)，用來(lái)確定顯生宙的板塊構(gòu)造是成功的，但是推展到地球早期的太古宙就存在很多不確定性，用來(lái)識(shí)別和確認(rèn)板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)代，則出現(xiàn)較大的偏差，不同方法給出的板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)代可以從晚于10億年到早于40億年不等（圖1）。例如，通過(guò)研究金剛石的N含量及C-N同位素，科學(xué)家（Smart et al.，2016）認(rèn)為南非Kaapvaal克拉通的金剛石中高的N含量及正的δ¹⁵N同位素指示地表巖石的再循環(huán)，板塊構(gòu)造在35億年已經(jīng)開(kāi)始。通過(guò)研究金剛石中包裹體組分，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)32億年前的金剛石中為單一的地幔巖石包裹體，而30億年以來(lái)的金剛石中開(kāi)始出現(xiàn)榴輝巖包裹體，從而提出板塊構(gòu)造可能發(fā)生在30億年以后（Shirey et al., 2011）。通過(guò)研究金剛石中硫化物包裹體的S同位素，科學(xué)家（Smit et al.，2019）發(fā)現(xiàn)30億年以來(lái)的硫化物包裹體具有太古宙地表環(huán)境的³³S非質(zhì)量分餾，板塊構(gòu)造應(yīng)發(fā)生在30億年以后。利用大陸地殼生長(zhǎng)曲線(xiàn)在30億年開(kāi)始趨于平穩(wěn)，學(xué)者認(rèn)為30億年開(kāi)始出現(xiàn)陸殼的再循環(huán)，可能指示了板塊構(gòu)造的啟動(dòng)（Dhuime et al., 2012）。通過(guò)研究大陸地殼成分演化規(guī)律，有學(xué)者建立了大陸地殼成分與頁(yè)巖和冰磧巖中Ni/Co和Cr/Zn的聯(lián)系，認(rèn)為在30億年開(kāi)始出現(xiàn)大量長(zhǎng)英質(zhì)地殼，全球性的板塊構(gòu)造應(yīng)發(fā)生在30億年（Tang et al., 2016）。通過(guò)總結(jié)全球變質(zhì)作用的地溫梯度，有學(xué)者認(rèn)為在27億年左右，開(kāi)始出現(xiàn)地球早期的雙變質(zhì)帶，指示了板塊構(gòu)造從此時(shí)開(kāi)始（Brown, 2006）。同樣是變質(zhì)作用的角度，有學(xué)者（Stern et al.，2005）則認(rèn)為藍(lán)片巖（冷俯沖變質(zhì)巖）的首次出現(xiàn)指示了板塊構(gòu)造的啟動(dòng)發(fā)生在10億年以后。區(qū)別于地球最早期的滯殼構(gòu)造以垂向構(gòu)造為主，板塊構(gòu)造以水平方向的運(yùn)動(dòng)為主。在一些古老的克拉通記錄了古老的水平構(gòu)造。例如，在格陵蘭島的研究發(fā)現(xiàn)大約有37-38億年的古老增生構(gòu)造（Komiya et al.,1998），在西澳Pilbara克拉通發(fā)現(xiàn)有32億年的水平構(gòu)造（van Kranendonk et al., 2007），在加拿大蘇必利爾克拉通發(fā)現(xiàn)有27億年的水平構(gòu)造（Lin et al., 2005），都被解釋為板塊構(gòu)造啟動(dòng)的證據(jù)。地球物理的資料對(duì)板塊構(gòu)造的啟動(dòng)也有貢獻(xiàn)?？茖W(xué)家在加拿大Slave克拉通發(fā)現(xiàn)有殘留的35億年的切斜界面，在96-124 km深處的傾斜角度低于20°，被解釋為板塊俯沖的痕跡（Chen et al., 2009）。在西澳Pilbara克拉通東部，科學(xué)家利用古地磁發(fā)現(xiàn)32億年的玄武巖記錄了古緯度的偏轉(zhuǎn)，可能反映了板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的水平運(yùn)動(dòng)（Brenner et al., 2020）?；谌A北克拉通的短周期密集觀測(cè)剖面資料，結(jié)合全球其他克拉通地球物理資料，有學(xué)者（Wan et al.，2020）指出全球聯(lián)動(dòng)的板塊構(gòu)造發(fā)生于20億年。

　　上述研究給出的板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)代從晚于10億年到早于40億年。這樣的差別源于各類(lèi)標(biāo)志和指標(biāo)之間的差異，也由地球早期地質(zhì)記錄不完整導(dǎo)致的特定記錄實(shí)質(zhì)上的區(qū)域性所致。因此，選擇一種普遍發(fā)育的地質(zhì)記錄，觀察其中板塊構(gòu)造相關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律，或許能夠獲得更明確的認(rèn)識(shí)。

　　眾所周知，太古宙大陸地殼的最主要巖石單元，是英云閃長(zhǎng)巖（tonalite）-奧長(zhǎng)花崗巖（trondhjemite）-花崗閃長(zhǎng)巖（granodiorite）組合（TTG巖套），可占大陸地殼巖石構(gòu)成的50%以上，并且在全球各個(gè)太古宙大陸/克拉通都有高比例分布。同時(shí)，TTG巖石是硅飽和巖漿結(jié)晶的巖石，大量發(fā)育可定年礦物鋯石，可以準(zhǔn)確定年，是研究早期地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程非常理想的研究對(duì)象。在TTG成因研究的50年歷史中，學(xué)術(shù)界傾向于認(rèn)為T(mén)TG是由含水玄武巖在角閃巖相（中-低亞相系）至榴輝巖相（高壓相系）變質(zhì)作用中經(jīng)部分熔融形成。其中，中-低壓相系可能代表了大洋高原下地殼環(huán)境，而高壓相系則與俯沖作用相關(guān)。由于形成的壓力不同，TTG的微量元素也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。然而，TTG的形成并不僅僅依靠部分熔融過(guò)程，巖漿從形成到侵位過(guò)程中要經(jīng)歷分離結(jié)晶和同化混染，這些過(guò)程會(huì)改造巖漿的微量元素含量，使得依靠微量元素判別形成壓力失去效力。例如，在南非和加拿大發(fā)育的TTG中均發(fā)現(xiàn)有斜長(zhǎng)石堆晶的現(xiàn)象。由于斜長(zhǎng)石中含有較高的Sr，而缺乏Y和重稀土含量，造成中低壓條件下形成的巖漿通過(guò)斜長(zhǎng)石堆晶就能形成“高壓型TTG”。相比較而言, Ba在斜長(zhǎng)石和長(zhǎng)英質(zhì)熔體間的分配系數(shù)趨近于1，即斜長(zhǎng)石的堆晶不會(huì)造成巖漿Ba含量的變化。在主要造巖礦物中，Ba僅在鉀長(zhǎng)石和黑云母當(dāng)中相容。然而，這些礦物的加入也會(huì)造成巖漿K和Ni含量的升高，這與天然TTG的成分并不吻合。而對(duì)Ba不相容的礦物的分離結(jié)晶會(huì)造成巖漿Mg#的降低，這也與天然TTG成分不吻合。因此TTG中的Ba含量更可能代表巖漿形成時(shí)的組分。如果俯沖作用與大洋高原下地殼熔融形成的TTG巖漿在Ba含量有所不同，那么全球TTG中Ba含量隨時(shí)間的長(zhǎng)期變化就能判斷俯沖作用的起始。

　　基于上述認(rèn)識(shí)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員黃廣宇、研究員Ross Mitchell和研究員郭敬輝聯(lián)合國(guó)際合作者，以太古宙平均玄武巖作為原巖進(jìn)行了相平衡模擬。結(jié)果顯示，只有在低溫高壓的環(huán)境下能夠形成高Ba含量的TTG巖漿（圖2），即只有俯沖環(huán)境下才能形成高Ba的TTG巖漿。通過(guò)分析現(xiàn)有的全球不同克拉通的TTG數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)全球的TTG中Ba含量隨時(shí)間演化，曾出現(xiàn)過(guò)3次正向的改變，分別發(fā)生在37億年、31億年和28億年左右。進(jìn)一步檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同克拉通TTG中Ba含量的正向變化時(shí)間并不相同。其中，Slave克拉通的俯沖作用可能在40億年就開(kāi)始了，北大西洋克拉通和Kaapvaal克拉通緊隨其后，分別在37億年和35億年開(kāi)始出現(xiàn)俯沖作用。在30億年左右，俯沖作用已經(jīng)涉及到了大多數(shù)的克拉通。而較為年輕的克拉通，如Superior克拉通，則在27億年開(kāi)始出現(xiàn)俯沖作用（圖3）。這些與前人報(bào)道的區(qū)域地質(zhì)記錄（圖1）是一致的。  

　　板塊俯沖作用起始時(shí)代的地域差異性，受控于很多因素，包括巖石圈的厚度、地幔的溫度、巖石圈地幔和軟流圈地幔的密度差、放射性生熱元素含量等。在這些方面，地球并不是均勻的。因此俯沖作用的發(fā)生取決于各個(gè)因素的耦合，各方面條件均合適的地方便會(huì)率先發(fā)生俯沖作用。任何一處的水平運(yùn)動(dòng)不會(huì)孤立存在，而是通過(guò)其他地區(qū)有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)平衡。因此俯沖作用會(huì)相繼在全球各個(gè)位置相繼發(fā)生，最終形成全球聯(lián)動(dòng)的板塊構(gòu)造，時(shí)間應(yīng)該出現(xiàn)在27億年之后。這與地球長(zhǎng)期的熱演化史是一致的（圖4）。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications。 

　　論文鏈接

圖1 不同作者提出的板塊構(gòu)造啟動(dòng)的時(shí)代

圖2 天然TTG與相平衡模擬、實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)結(jié)果對(duì)比（背景顏色黃色代表低溫，桔色代表高溫）

圖3 全球不同克拉通TTG中Ba含量隨時(shí)間的長(zhǎng)期變化

圖4 地球熱演化歷史模型