Rodinia超大陸演化新模式:劇變之始與華南之難

1912年魏格納提出大陸漂移時，受到當時大多數科學家的嘲諷。然而，二戰之後，海底探測及地震學的證據表明大洋在不斷擴張（圖1）。隨後科學家快速的建立了板塊構造學說。

圖1. 不同板塊邊界示意圖。圖中同時展示了地幔柱及其前部形態的地幔熱點，新的洋殼在洋中脊處形成，並不斷向兩側運動，在大洋俯衝帶消亡。全球火山、地震集中分布在洋中脊和俯衝帶附近。

這些證據同時表明，魏格納等早期提出的Pangea超級大陸（圖2）具有一定的合理性。

圖2. 古生代冰川沉積、熱帶植物及沉積物以及其他古生物化石的證據表明，石炭紀-三疊紀存在一個統一的超級大陸，魏格納命名為Pangea。

1991年三位地球科學家（Moores，Hoffman, Dalziel）分別在Science及Geology上發表文章，認為新元古代時期（1000-542Ma）地球上存在過另一個超大陸Rodinia。然而，由於不像Pangea超大陸重建中各方面證據那麼完善，Rodinia超大陸的演化過程一直都存在著巨大的爭議（Li et al., 2008）。但現有研究表明，Rodinia超大陸的形成和裂解時期也是地球系統發生劇變的時期，因此研究Rodinia超大陸的演化將指導我們更好的理解地球系統的劇變。

大約18-8億年被科學家成為地球的中年期，或者「無聊的十億年」（Cawood and Hawkesworth，2014）。這一時期，地球上氧氣稀薄、生物進化遲鈍、缺少被動大陸邊緣、缺少冰川沉積和鐵礦建造、缺少磷酸鹽及造山帶相關金礦等。然而，大約從8億年左右開始，地球進入了劇烈變化的時期。這一時期從地球上消失十多億年的大規模條帶狀鐵礦（現今世界60%以上的鐵礦來源、中國90%的鐵礦來源）又重新出現；大洋與大氣圈進一步氧化，氧含量逐步達到現今的水平；真核生物的多樣化和動物的快速演化（Ediacaran生物群、藍田生物群）；出現多期極冷事件（「雪球地球」即整個地球被厚大上千米的冰層覆蓋；Kirschvink, 1992）；出現多次整個地幔及巖石圈相對於地球磁場的快速旋轉事件（拉伸紀及埃迪卡拉紀震蕩真極移事件，Jing et al., 2020; Robert et al., 2017）；地球內核的形成等（Bono et al., 2019）。

超大陸的重建，就像拼圖遊戲一般，放錯一個板塊就會使得遊戲變的更加困難。相反，放對一個板塊的位置，將極大的提高遊戲完成的概率。

根據造山帶的形成時間、裂陷帶沉積地層序列、大火成巖省的分布及少量的古地磁數據等，華南在Rodinia重建中被放在了各種各樣的位置（圖3），這些位置顯然只可能有一個是對的，因此利用可靠的方法尋找華南正確的擺放位置對於完成Rodinia超大陸的拼圖，理解Rodinia超大陸演化與地球系統劇變之間的聯繫，都具有極其重要的意義。

圖3. 成冰紀全球古地理古板塊重建圖：A, 750~635 Ma全球古板塊構造重建(Johansson, 2014)；B, 680 Ma全球古地理重建(Li et al., 2013)；C，680 Ma全球古板塊位置重建(Merdith et al., 2017)：一方面缺少成冰紀早期的全球古地理重建，另一方面各個重建中大部分板塊的位置存在明顯的差異，如華南板塊。

最近，首都師範大學青年教師景先慶在執行國家基金委重點項目工作中，對華南新元古代澄江組及蓮沱組地層詳細的古地磁及地質年代學研究表明，地球在810-760Ma期間可能存在三期震蕩真極移事件（也就是整個地幔及巖石圈相對於地球磁場的快速旋轉），並在這一真極移格架下，對華南及Rodinia超大陸進行了重建（圖4）。考慮到古地磁極存在南、北「半球模糊性」，華南可能位於Rodinia超大陸的西北（圖4C）或西南部（圖4B），並於800Ma從Rodinia超大陸裂解。

圖4. A，大約810-760 Ma全球古地磁數據對比，圖中黃色和淺藍色大圓弧為華南和勞倫大陸擬合的真極移軌跡；B，華南該時期古地磁極「顛倒」極性模式下，Rodinia超大陸重建；C，華南古地磁數據傳統極性模式下Rodinia超大陸重建。

這些研究表明，新元古代地球的劇變是其整體狀態的變化，包括地球表層大氣和海洋化學狀態的變化、生物圈的快速演化、超大陸（巖石圈）的裂解、地幔及地殼相對於地核的快速旋轉、地核熱狀態的劇烈變化及內核的形成等。這些變化之間是否存在內在的耦合關係，是我們今後地球科學及行星科學研究的重點內容。

相關文章發表在國際頂級地球科學雜誌《Geology》及《Earth and Planetary Science Letters》上。

點擊閱讀原文在線瀏覽論文原文

 

參考文獻：

1. Jing X, Yang Z, Evans D A D, et al. A pan-latitudinal Rodinia in the Tonian true polar wander frame[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 530: 115880.

2. Jing X, Evans D A D, Yang Z, et al. Inverted South China: A novel configuration for Rodinia and its breakup[J]. Geology, 2020.

3. Moores E M. Southwest US-East Antarctic (SWEAT) connection: a hypothesis[J]. Geology, 1991,19(5): 425-428.

4. Dalziel I W D. Pacific margins of Laurentia and East Antarctica-Australia as a conjugate rift pair: Evidence and implications for an Eocambrian supercontinent[J]. Geology,1991, 19(6): 598-601.

5. Hoffman P F. Did the breakout of Laurentia turn Gondwanaland inside-out?[J]. Science, 1991,252(5011): 1409-1412.

6. Li Z X, Bogdanova S V, Collins A S, et al. Assembly, configuration, and break-up history of Rodinia: a synthesis[J]. Precambrian research, 2008, 160(1-2): 179-210.

7. Cawood P A, Hawkesworth C J. Earth’s middle age[J]. Geology, 2014, 42(6): 503-506.

8. Kirschvink J L. Late Proterozoic low-latitude global glaciation: the snowball Earth[J]. 1992.

9. Robert B, Besse J, Blein O, et al. Constraints on the Ediacaran inertial interchange true polar wander hypothesis: A new paleomagnetic study in Morocco (West African Craton)[J]. Precambrian Research, 2017, 295: 90-116.

10. Bono R K, Tarduno J A, Nimmo F, et al. Young inner core inferred from Ediacaran ultra-low geomagnetic field intensity[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(2): 143-147.

11. Johansson Å. From Rodinia to Gondwana with the 『SAMBA’model—a distant view from Baltica towards Amazonia and beyond[J]. Precambrian Research, 2014, 244: 226-235.

12. Li Z X, Evans D A D, Halverson G P. Neoproterozoic glaciations in a revised global palaeogeography from the breakup of Rodinia to the assembly of Gondwanaland[J]. Sedimentary Geology, 2013, 294: 219-232.

13. Merdith A S, Collins A S, Williams S E, et al. A full-plate global reconstruction of the Neoproterozoic[J]. Gondwana Research, 2017, 50: 84-134.