PNAS：大型不整合面是否指示冰川活動

PNAS：大型不整合面是否指示冰川活動

地質歷史時期的大型不整合面是指缺少生物化石的前寒武紀地層和富含生物化石的顯生宙地層的分界面。對於查爾斯·達爾文來說，複雜宏觀化石突然出現在寒武紀地層裡，似乎無法解釋生物漸變論，這需要從全球地層缺失角度來解釋化石記錄的不完整性。儘管有研究從生物絕滅和輻射的角度來解釋了生物化石時間上的不連續，但這並不能完全排除是由於新元古代晚期至寒武紀全球不整合面所導致的（Peters et al., 2012；Keller et al., 2019；Sobolev et al., 2019）。這種大型不整合面也出現在北美地區，在那裡寒武紀海侵層序常常覆蓋在前寒武紀基底巖石之上，可以和其它大陸板塊內新元古代-寒武紀不整合面相對比（Keller et al., 2019）。最近，地質學家推測大型不整合面內的侵蝕作用可能和地球系統的多種變化過程有關，包括新元古代的雪球地球事件、現代板塊構造的啟動、大氣和海洋的氧化以及寒武紀生命大爆發（Flowers et al., 2020）。然而，這些大型不整合面的形成和持續時間、誘導因素以及全球同時/穿時性問題尚無定論。寒武紀沉積巖覆蓋在老地層或者不整合地覆蓋在基底巖石之上，標誌著巖石記錄的間斷，受到了地質學家的廣泛關注並開展了大量工作。但是根據目前保存的巖石記錄地質學家還不能直接判斷哪些侵蝕過程促使了它們的形成。

以往的研究對大型不整合面形成之前的大陸侵蝕時間和侵蝕幅度提出了四種假說（圖1）。第一種假說認為大陸的侵蝕作用主要和850 Ma之前羅迪尼亞超大陸聚合和地幔上湧有關，而第二種假說認為可能主要和850-717 Ma羅迪尼亞超大陸裂解有關。第三種假說認為和717-635 Ma成冰紀冰川事件相關，而最後一種假說認為動物和現代生態系統的出現是由於陸地遭受侵蝕向海洋輸送營養物質以及埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期大氣氧含量上升所致（Flowers et al., 2020）。這些爭論的核心是這些大型不整合面究竟是代表一期全球性冰川侵蝕事件（Peters et al., 2012; Keller et al., 2019），還是多期次構造作用的疊加（Karlstrom et al., 2012）。這些大型不整合面很可能在長達幾億年時間內經過多期次的區域構造作用形成。這些多期次、不均一的構造作用疊加到一起形成了長期的大型沉積間斷面。地球化學和沉積學證據指示大型不整合面是全球現象，但沒有對侵蝕面直接進行年齡測定。年齡上的不確定性也說明這些地球化學證據存在多解性。要對這些大型不整合面形成的各種假說進行驗證，必須通過選取具體剖面來限定顯生宙蓋層形成之前的前寒武紀基底剝蝕歷史，確定大型不整合面的形成時間。

圖1 大型不整合面之下的侵蝕歷史。橙色條數據來自美國科羅拉多州。假說1認為大陸的侵蝕主要和羅迪尼亞超大陸聚合和地幔上湧有關，假說2認為可能主要和羅迪尼亞超大陸裂解有關，假說3認為和717-635 Ma成冰紀冰川事件相關，假說4認為和寒武紀海侵及隨後的沉積物埋藏、勞亞大陸邊緣裂解或者泛非造山作用和環大西洋造山作用以及潘諾西亞大陸的組建有關。另外一種假說認為存在多個大型不整合面，代表穿時的區域構造現象，主要出現在勞亞大陸和裂谷邊緣（Flowers et al., 2020）

最近熱年代學工作被應用在限定美國中西部地區大型不整合面形成之前的冷卻事件，推測大規模冷卻和侵蝕作用和羅迪尼亞超大陸裂解有關（Orme et al., 2016；DeLucia et al., 2017）。這些地區大型不整合面之上的寒武紀沉積序列限定了不整合面形成於寒武紀之前，說明熱年代學數據可以用來推測新元古代晚期的大型侵蝕作用。把新元古代和寒武紀地質學證據和熱年代學數據相結合對於解決冷卻和侵蝕歷史、區分大型不整合面形成的各種模型假說至關重要。

圖2 派克峰花崗巖鋯石 （U-Th）/He數據和熱演化歷史模擬結果。A.鋯石He年齡vs eU圖解，虛線指示圖B中最佳擬合路徑預測的He年齡-eU分布。B.溫度-時間圖解顯示派克峰花崗巖ZHe數據倒轉熱演化歷史模型結果。模型的初始條件是假定在1066 ± 10 Ma時派克峰花崗巖的溫度為600℃，隨後經歷了快速冷卻。圖中只顯示了<200℃的溫度範圍，但最佳擬合路徑可以重現圖A中的eU數據（Flowers et al., 2020）

美國科羅拉多州南部弗蘭特山脈內，新元古代-寒武紀沉積巖覆蓋在中元古代晚期派克峰巖基之上。為了限定派克峰巖基初始暴露於地表的時間、驗證與大型不整合面相關的各種侵蝕作用假說，Jensen et al.（2018）對這些新元古代-寒武紀沉積巖進行了熱年代學研究，試圖通過研究派克峰巖基之上的塔瓦凱夫砂巖巖牆/巖床來限定花崗巖的最小初始暴露年齡。塔瓦凱夫砂巖巖牆/巖床內9顆大粒徑熱液成因赤鐵礦得出了一個676±26 Ma （U-Th）/He 平均年齡，限定了派克峰巖基最小侵位年齡（Jensen et al., 2018）。應用赤鐵礦He擴散動力學數據進行熱演化歷史模擬揭示了赤鐵礦在隨後埋藏作用過程中經歷了He丟失，所以只有最老的4個赤鐵礦年齡可代表派克峰巖基的侵位時間，其餘年輕的年齡均指示He丟失（Jensen et al., 2018）。

Flowerset al.（2020）對派克峰花崗巖內30顆鋯石進行了(U-Th)/He熱年代學分析，旨在進一步精確限定巖基的初始暴露時間。原理很簡單：巖體侵位、剝蝕、暴露到地表時會冷卻，因此鋯石ZHe數據能夠記錄這段關鍵時期的冷卻歷史。鋯石數據顯示了ZHe和U含量（eU）之間呈現負相關關係（圖2A）。年齡分布在975±41 Ma～46±1 Ma之間，eU分布在37-1955 ppm之間。這種分布型式指示放射損傷劑量越高，He保留的就越少。Flowers et al.（2020）應用HeFTy程序和鋯石放射損傷積累和癒合模型（ZRDAAM）對派克峰花崗巖鋯石的ZHe數據進行了時間-溫度模擬，以此來檢驗鋯石ZHe數據是否和717 Ma之前基底剝蝕的地質證據相吻合（圖2B）。擬合最佳的時間-溫度軌跡再現了所觀測到的ZHe-eU分布規律。更重要的是，這套可行的時間-溫度路徑允許淺部花崗巖巖基在1000-717 Ma之間侵位、冷卻和剝蝕暴露到地表。該研究說明這些大型不整合面之下的侵蝕作用發生在成冰紀冰川之前，和冰川作用無關，更可能是由於區域上多期、穿時的構造侵蝕作用形成的。

【致謝：感謝巖石圈室王非研究員的寶貴意見。】

主要參考文獻

DeLucia M S, Guenthner W R, Marshak S, et al. Thermochronology linksdenudation of the Great Unconformity surface to the supercontinent cycle andsnowball Earth[J]. Geology, 2018, 46(2): 167-170.

Flowers R M, Macdonald F A, Siddoway C S, et al. Diachronousdevelopment of Great Unconformities before Neoproterozoic Snowball Earth[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(19): 10172-10180.

Jensen J L, Siddoway C S, Reiners P W, et al. Single-crystalhematite (U–Th)/He dates and fluid inclusions document widespread Cryogeniansand injection in crystalline basement[J]. Earth and Planetary Science Letters,2018, 500: 145-155.

Karlstrom K E, Timmons J M. Many unconformities make one 『GreatUnconformity』[J]. Geological Society of America, McLean, VA, 2012, 489: 73-79.

Keller C B, Husson J M, Mitchell R N, et al. Neoproterozoic glacialorigin of the Great Unconformity[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences, 2019, 116(4): 1136-1145.

Orme D A, Guenthner W R, Laskowski A K, et al. Long-termtectonothermal history of Laramide basement from zircon–He age-eUcorrelations[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 453: 119-130.

Peters S E, Gaines R R. Formation of the 『GreatUnconformity』as a trigger for the Cambrian explosion[J]. Nature, 2012, 484(7394):363-366.

Sobolev S V, Brown M. Surface erosion eventscontrolled the evolution of plate tectonics on Earth[J]. Nature, 2019,570(7759): 52-57.

校對：覃華清

PNAS：大型不整合面是否指示冰川活動

地質歷史時期的大型不整合面是指缺少生物化石的前寒武紀地層和富含生物化石的顯生宙地層的分界面。對於查爾斯·達爾文來說，複雜宏觀化石突然出現在寒武紀地層裡，似乎無法解釋生物漸變論，這需要從全球地層缺失角度來解釋化石記錄的不完整性。儘管有研究從生物絕滅和輻射的角度來解釋了生物化石時間上的不連續，但這並不能完全排除是由於新元古代晚期至寒武紀全球不整合面所導致的（Peters et al., 2012；Keller et al., 2019；Sobolev et al., 2019）。這種大型不整合面也出現在北美地區，在那裡寒武紀海侵層序常常覆蓋在前寒武紀基底巖石之上，可以和其它大陸板塊內新元古代-寒武紀不整合面相對比（Keller et al., 2019）。最近，地質學家推測大型不整合面內的侵蝕作用可能和地球系統的多種變化過程有關，包括新元古代的雪球地球事件、現代板塊構造的啟動、大氣和海洋的氧化以及寒武紀生命大爆發（Flowers et al., 2020）。然而，這些大型不整合面的形成和持續時間、誘導因素以及全球同時/穿時性問題尚無定論。寒武紀沉積巖覆蓋在老地層或者不整合地覆蓋在基底巖石之上，標誌著巖石記錄的間斷，受到了地質學家的廣泛關注並開展了大量工作。但是根據目前保存的巖石記錄地質學家還不能直接判斷哪些侵蝕過程促使了它們的形成。

以往的研究對大型不整合面形成之前的大陸侵蝕時間和侵蝕幅度提出了四種假說（圖1）。第一種假說認為大陸的侵蝕作用主要和850 Ma之前羅迪尼亞超大陸聚合和地幔上湧有關，而第二種假說認為可能主要和850-717 Ma羅迪尼亞超大陸裂解有關。第三種假說認為和717-635 Ma成冰紀冰川事件相關，而最後一種假說認為動物和現代生態系統的出現是由於陸地遭受侵蝕向海洋輸送營養物質以及埃迪卡拉紀-寒武紀過渡時期大氣氧含量上升所致（Flowers et al., 2020）。這些爭論的核心是這些大型不整合面究竟是代表一期全球性冰川侵蝕事件（Peters et al., 2012; Keller et al., 2019），還是多期次構造作用的疊加（Karlstrom et al., 2012）。這些大型不整合面很可能在長達幾億年時間內經過多期次的區域構造作用形成。這些多期次、不均一的構造作用疊加到一起形成了長期的大型沉積間斷面。地球化學和沉積學證據指示大型不整合面是全球現象，但沒有對侵蝕面直接進行年齡測定。年齡上的不確定性也說明這些地球化學證據存在多解性。要對這些大型不整合面形成的各種假說進行驗證，必須通過選取具體剖面來限定顯生宙蓋層形成之前的前寒武紀基底剝蝕歷史，確定大型不整合面的形成時間。

圖1 大型不整合面之下的侵蝕歷史。橙色條數據來自美國科羅拉多州。假說1認為大陸的侵蝕主要和羅迪尼亞超大陸聚合和地幔上湧有關，假說2認為可能主要和羅迪尼亞超大陸裂解有關，假說3認為和717-635 Ma成冰紀冰川事件相關，假說4認為和寒武紀海侵及隨後的沉積物埋藏、勞亞大陸邊緣裂解或者泛非造山作用和環大西洋造山作用以及潘諾西亞大陸的組建有關。另外一種假說認為存在多個大型不整合面，代表穿時的區域構造現象，主要出現在勞亞大陸和裂谷邊緣（Flowers et al., 2020）

最近熱年代學工作被應用在限定美國中西部地區大型不整合面形成之前的冷卻事件，推測大規模冷卻和侵蝕作用和羅迪尼亞超大陸裂解有關（Orme et al., 2016；DeLucia et al., 2017）。這些地區大型不整合面之上的寒武紀沉積序列限定了不整合面形成於寒武紀之前，說明熱年代學數據可以用來推測新元古代晚期的大型侵蝕作用。把新元古代和寒武紀地質學證據和熱年代學數據相結合對於解決冷卻和侵蝕歷史、區分大型不整合面形成的各種模型假說至關重要。

圖2 派克峰花崗巖鋯石 （U-Th）/He數據和熱演化歷史模擬結果。A.鋯石He年齡vs eU圖解，虛線指示圖B中最佳擬合路徑預測的He年齡-eU分布。B.溫度-時間圖解顯示派克峰花崗巖ZHe數據倒轉熱演化歷史模型結果。模型的初始條件是假定在1066 ± 10 Ma時派克峰花崗巖的溫度為600℃，隨後經歷了快速冷卻。圖中只顯示了<200℃的溫度範圍，但最佳擬合路徑可以重現圖A中的eU數據（Flowers et al., 2020）

美國科羅拉多州南部弗蘭特山脈內，新元古代-寒武紀沉積巖覆蓋在中元古代晚期派克峰巖基之上。為了限定派克峰巖基初始暴露於地表的時間、驗證與大型不整合面相關的各種侵蝕作用假說，Jensen et al.（2018）對這些新元古代-寒武紀沉積巖進行了熱年代學研究，試圖通過研究派克峰巖基之上的塔瓦凱夫砂巖巖牆/巖床來限定花崗巖的最小初始暴露年齡。塔瓦凱夫砂巖巖牆/巖床內9顆大粒徑熱液成因赤鐵礦得出了一個676±26 Ma （U-Th）/He 平均年齡，限定了派克峰巖基最小侵位年齡（Jensen et al., 2018）。應用赤鐵礦He擴散動力學數據進行熱演化歷史模擬揭示了赤鐵礦在隨後埋藏作用過程中經歷了He丟失，所以只有最老的4個赤鐵礦年齡可代表派克峰巖基的侵位時間，其餘年輕的年齡均指示He丟失（Jensen et al., 2018）。

Flowerset al.（2020）對派克峰花崗巖內30顆鋯石進行了(U-Th)/He熱年代學分析，旨在進一步精確限定巖基的初始暴露時間。原理很簡單：巖體侵位、剝蝕、暴露到地表時會冷卻，因此鋯石ZHe數據能夠記錄這段關鍵時期的冷卻歷史。鋯石數據顯示了ZHe和U含量（eU）之間呈現負相關關係（圖2A）。年齡分布在975±41 Ma～46±1 Ma之間，eU分布在37-1955 ppm之間。這種分布型式指示放射損傷劑量越高，He保留的就越少。Flowers et al.（2020）應用HeFTy程序和鋯石放射損傷積累和癒合模型（ZRDAAM）對派克峰花崗巖鋯石的ZHe數據進行了時間-溫度模擬，以此來檢驗鋯石ZHe數據是否和717 Ma之前基底剝蝕的地質證據相吻合（圖2B）。擬合最佳的時間-溫度軌跡再現了所觀測到的ZHe-eU分布規律。更重要的是，這套可行的時間-溫度路徑允許淺部花崗巖巖基在1000-717 Ma之間侵位、冷卻和剝蝕暴露到地表。該研究說明這些大型不整合面之下的侵蝕作用發生在成冰紀冰川之前，和冰川作用無關，更可能是由於區域上多期、穿時的構造侵蝕作用形成的。

【致謝：感謝巖石圈室王非研究員的寶貴意見。】

主要參考文獻

DeLucia M S, Guenthner W R, Marshak S, et al. Thermochronology linksdenudation of the Great Unconformity surface to the supercontinent cycle andsnowball Earth[J]. Geology, 2018, 46(2): 167-170.

Flowers R M, Macdonald F A, Siddoway C S, et al. Diachronousdevelopment of Great Unconformities before Neoproterozoic Snowball Earth[J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(19): 10172-10180.

Jensen J L, Siddoway C S, Reiners P W, et al. Single-crystalhematite (U–Th)/He dates and fluid inclusions document widespread Cryogeniansand injection in crystalline basement[J]. Earth and Planetary Science Letters,2018, 500: 145-155.

Karlstrom K E, Timmons J M. Many unconformities make one 『GreatUnconformity』[J]. Geological Society of America, McLean, VA, 2012, 489: 73-79.

Keller C B, Husson J M, Mitchell R N, et al. Neoproterozoic glacialorigin of the Great Unconformity[J]. Proceedings of the National Academy ofSciences, 2019, 116(4): 1136-1145.

Orme D A, Guenthner W R, Laskowski A K, et al. Long-termtectonothermal history of Laramide basement from zircon–He age-eUcorrelations[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2016, 453: 119-130.

Peters S E, Gaines R R. Formation of the 『GreatUnconformity』as a trigger for the Cambrian explosion[J]. Nature, 2012, 484(7394):363-366.

Sobolev S V, Brown M. Surface erosion eventscontrolled the evolution of plate tectonics on Earth[J]. Nature, 2019,570(7759): 52-57.

校對：覃華清