萬博等-SA：全球聯動的板塊構造何時啟動？——來自短周期密集臺陣的證據
摘要：依據地質模型預測，部署高密度地震臺站，準確定位華北克拉通鄂爾多斯陸塊下方18億年前的造山結構。該結構在全球背景下，指示3條俯衝帶即可匯聚（可能是）地球最古老超級大陸的主體。結合全球資料，推測該俯衝系統自20億年前開始具有全球聯動效應，標誌著板塊構造的啟動，並導致超大陸匯聚、地幔加速冷卻等地球重大變革性事件。
「板塊構造」的重要性比肩相對論和量子力學之於物理學、DNA之於生命科學的意義，是20世紀的重大科學發現之一。板塊活動導致地球物質能量交換強烈、火山-地震活躍、礦產油氣資源富集、大氣溫度-氧含量適度，是地球維持宜居性的重要動力，也是地球有別於其他行星的關鍵標誌。但是，地球何時啟動板塊構造，並開啟與其他行星不同的演化之路，是當今地球科學最具爭議的問題之一，啟動時間之爭可以從冥古宙（>40億前）一直到新元古代（<10億前）(圖1)，跨越近3/4的地球歷史。
圖1 板塊構造與板塊構造啟動時間爭議（左：USGS，右：改自Korenaga 2013）
爭論源於大家對什麼現象能夠代表板塊構造啟動無法達成共識。前人試圖從尋找最古老證據角度來解析（圖1），給出的時間大多在早-中太古代（39-35億年前）。板塊構造一個顯著特徵是各板塊之間的相互聯動，表現為任何一處的運動並不是孤立存在，而是在其他地區有相應的運動來平衡(圖1)。問題在於基於某地區最古老的「證據」往往忽略了板塊構造的聯動作用，比如木星冰衛星「歐羅巴」即使局部地區存在冰殼「俯衝」也不能代表該冰衛星存在板塊構造作用(Kattenhorn et al., 2014)。因此儘管大多研究提議板塊構造啟動於早-中太古代，但很難協調為什麼板塊構造早期和晚期在地表的記錄存在顯著差異。
板塊構造啟動後應該有全球聯動效應的表現，應該在關鍵特徵上與現代地球的觀測相符合：比如存在冷俯衝的地質證據，大洋巖石圈的殘留（Stern 2005）以及古俯衝的地球物理結構等。地球在20.5-18億年間的這段歷史被稱為「造山紀」，地質研究表明全球幾乎所有的古老陸塊都記錄了該時期的造山作用(Zhao et al., 2002)，顯然這是一個潛在的全球聯動時期。近年來不同研究團隊相繼在華北克拉通北緣發現「造山紀」時期能與現代板塊構造作用相匹配的地質記錄，如19億年蛇綠混雜巖構造-巖石記錄（Wan et al., 2015）、18億的具有冷俯衝特徵的超高壓礦物記錄(Xu et al., 2018)（圖2）。如果該地區還能夠保存與上述地質記錄匹配，但屬於「造山紀」時期板塊匯聚的地球物理結構，顯然該地區與現代板塊構造體制下的造山帶完全可以類比，並可能極大推進對板塊構造啟動時間的理解。
圖2 華北克拉通北緣「造山紀」關鍵地質證據位置及地球物理剖面位置（綠點線）。註：顯生宙的巖漿作用（紅色）和斷層（黑色）極少出現在穩定的鄂爾多斯陸塊內部
在此認識基礎上，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室的研究團隊於2019年4-5月在華北克拉通北緣布設了一條短周期密集觀測剖面進行地下結構探測（圖2）。高密度的臺站布設（500米臺間距）用於提高橫向解析度，P波接收函數CCP方法對Moho界面成像的技術已經十分成熟。研究團隊在鄂爾多斯市東勝區地下約45km處發現了向北西傾斜的Moho結構。研究團隊基於對古亞洲洋的研究積累能夠排除該傾斜結構是後期造山作用或陸內改造作用的結果(Xiao et al., 2015; Wan et al., 2018)。該結構代表18億年前大陸碰撞作用在被動陸緣褶皺衝斷帶之下的地殼結構，與當今在喜馬拉雅前陸褶皺衝斷帶之下的結構在規模和特徵上都十分相似（圖3）。
圖3 鄂爾多斯內部北西向傾斜Moho圖像及與青藏高原的對比
利用最新的地質-古地磁資料進行的Nuna超大陸重建，將華北的研究結果置於全球構造背景之下，對比華北地震剖面與全球其它典型克拉通地區已有的高精度地球物理圖像，發現能夠用三條大型縫合帶匯聚Nuna大陸的主體（圖4）。現代板塊構造重要特點是大洋俯衝板片驅動板塊運動，控制板塊運動方向。在華北北緣得到的地震圖像代表了18億年大陸碰撞時期的記錄，而該區大洋俯衝記錄可以追溯到20億年前。因此可以推斷，地球可能在20億年已經啟動了具有全球聯動的板塊俯衝系統，正是由於全球性的板塊俯衝作用，才導致了Nuna超大陸的匯聚，從而可以更合理地解釋地幔在古元古代開始加速冷卻等重大變革性事件。
圖4 板塊俯衝牽引作用導致Nuna超大陸匯聚
本研究由巖石圈演化國家重點實驗室大地構造組(萬博研究員)、殼幔結構探測組（田小波研究員，楊旭松同學）、前寒武紀地質組（Ross Mitchell副研究員）與澳大利亞麥考瑞大學的袁懷玉博士和德國圖賓根大學的Uwe Kirscher博士合作完成，成果發表於國際學術期刊Science Advances。（Wan B*, Yang X, Tian X*, Yuan H，Kirscher U, Mitchell R N* 2020. Seismologicalevidence for the earliest global subduction network at 2 Ga ago [J]. ScienceAdvances, 2020, 6(32): abc5491. DOI: 10.1126/sciadv.abc5491）
延伸閱讀
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校對：張 崧