近年來，以中國科學院院士趙國春為學科帶頭人的西北大學地質學系超大陸學科團隊聚焦造山帶演化與超大陸重建、古地磁超大陸重建、超大陸演化過程數值模擬與大數據G-plates重建以及大陸演化的生命環境協同效應四個核心科學問題開展了系統研究。
近期，團隊成員姚金龍教授等人與澳大利亞莫納什大學Peter Cawood教授團隊開展合作，所取得的最新成果可以從板塊構造演化的角度為解答地球為什么能夠演化成適宜人類居住的星球，又是什么在推動地球環境持續改善、推動生命出現與不斷進化的一些疑惑。
相關成果發表在新出版的《自然·通訊》雜志上。
板塊構造可謂推動地球時空演化的引擎
“地球能夠演化成生命星球，這有其必然性，必然中也有無數的偶然。最重要的必然性就在于地球上存在板塊構造。”趙國春如是講。
板塊構造作為統領地球科學領域的方法論，認為地球表層大小不一、為數不多的巖石圈塊體在軟流圈之上相對運動，板塊構造驅動地球表生圈層與深部物質、能量循環，決定碳、氧、磷、鐵等關鍵生命元素的循環，富集人類賴以生存的資源能源，并且釋放地球內部的熱量，是維系地球系統的中樞與紐帶。
但板塊構造并非地球與生俱來，約46億年前開始，從熾熱巖漿海到殼幔分異形成軟蓋層或停滯蓋層構造（前板塊階段），到以熱俯沖、淺俯沖為特點的早期板塊構造階段，到俯沖活動可能相對停滯的地球中年期，再到以大陸深俯沖為標志的現代板塊構造，經歷了漫長的地質年代旅程。趙國春進一步闡述說：“可以說占據了地球歷史的大部分時間。板塊構造每一個階段對應著地球表生圈層的不同演化階段。”
正如文章所述，毫無疑問，板塊構造是決定地球表生圈層演化的一級動力學，可謂推動地球時空演化的引擎。
現代板塊構造的啟動與Mariana型大洋初始俯沖的出現可能是同步
新元古代中期—寒武紀（~8.5億-5億年前）是地球歷史上的關鍵轉換時期。在這一時期，發生了一系列具有里程碑意義的重大事件，包括現代板塊構造啟動、岡瓦納大陸聚合、大氣第二次增氧、埃迪卡拉紀和寒武紀兩次生命大爆發等。
因此，穿越這一階段，地球深部過程和表生氣候、環境與生物逐漸接近現今地球，地球實現了“脫胎換骨”?！暗@一階段的具體細節，比如現代板塊構造啟動時間與動力學機制、岡瓦納大陸古地理重建與造山精細過程、地球深部構造過程如何驅動氣候環境生命變遷與演化、表生過程的建立對深部過程的反饋效應等，一直不甚明確，學界處于不斷爭論中。”趙國春說，“也是我和我們團隊一直的研究方向?！?/p>
目前地質學界認定：板塊構造重要的鑒定標志是蛇綠巖和高壓變質巖，其中蛇綠巖是保留在大陸上的大洋巖石圈殘留，是古大洋曾經存在的直接證據。此外，板塊構造要求有穩定的俯沖，且俯沖作用要具有全球性，即全板塊尺度。
姚金龍和團隊部分成員在青藏高原北緣、塔里木南緣的阿爾金造山帶厘定出了大型的蛇綠巖套即木拉布拉克蛇綠巖，并通過研究發現該蛇綠巖地?！貧ざ嗽烷蠙鞄r中的礦物均記錄了從大洋中脊（MORB）向俯沖帶上盤（Supra-subduction zone, SSZ）演化的二元演化過程，展示其為Mariana型初始俯沖蛇綠巖（又稱IBM型，Izu–Bonin–Mariana）。同時，他們在蛇綠巖中發現大量大理巖和深海沉積相的紅色硅質巖。
他們通過分析研究，總結出位于岡瓦納大陸北緣的眾多東亞陸塊所記錄的地質事件時空變化規律，提出原特提斯洋的主體洋盆初始俯沖發生在約5.3~5.2億年前，這一事件與岡瓦納古大陸南緣、西緣的俯沖帶板片回撤相對應。因此，在5.3~5.2億年前發生了一期全球范圍內的構造聯動事件。
此外，該團隊通過對全球已知的Mariana型的蛇綠巖進行歸納總結，結合該型蛇綠巖成因動力學模擬結果，發現地幔溫度是控制板塊構造演化和該型蛇綠巖形成的關鍵性因素。
據此，他們提出二者由同一變量控制，建立了二者之間的聯系，即認為現代板塊構造的啟動與Mariana型大洋初始俯沖的出現可能是同步的。
在岡瓦納大陸聚合階段、5.3億-5.2億年前現代板塊構造建立
5.3~5.2億年前的全球構造聯動，以及多項同期地質現象與化學指標的變化，如溫度壓力（T/P）比值、鋯石Hf-O同位素演化趨勢、被動陸緣數量、低T/P比的超高壓變質巖大量出現、海水Sr同位素比值等，表明5.3億~5.2億年前是地球演化歷史上的一個重要里程碑。
“但必然有一種一級地球動力學過程從根本上推動了這些?！币瘕堈J為。
姚金龍等發現，這些地質現象與化學指標均指示俯沖活動的顯著增強。綜合多個地質與化學指標以及板塊構造的特征與識別標志，他們團隊首次提出在岡瓦納大陸聚合階段、5.3~5.2億年前現代板塊構造建立這一觀點。
這一觀點對國際上提出的新元古代現代板塊構造啟動這一認識進行了進一步的推動與擴展。
“現代板塊構造的建立和全板塊的深俯沖極大促進了地球深部與表層物質和能量的交換效率，造成地球降溫，并顯著促進了地殼物質的再循環，是促進晚新元古代—寒武紀期間表生圈層劇變、促進現代地球建立的一級驅動力。”姚金龍補充介紹。
大氣圈的持續增氧為埃迪卡拉紀、寒武紀生命大爆發提供必要的條件
該團隊注意到國際上最新研究成果表明俯沖帶富水沉積物是控制板塊構造的另一個因素，能有效保持俯沖體系的穩定。
姚金龍等認為，現代板塊構造啟動與建立，導致板片特別是大陸的深俯沖，這與新元古代晚期以來地球上超高壓變質的大量出現是一致的。
姚金龍指出例證，西北大學劉良教授團隊在阿爾金造山帶發現了約5億年前的超高壓變質記錄，記錄的壓力可達斯石英相，壓力約8~9Gpa，表明當時俯沖深度達到300公里。
根據地殼均衡補償理論，山根越深，山脈必然越高，之前有研究也表明岡瓦納聚合過程中形成的造山帶長度超過8000公里，所以無論是海拔高度還是規模，當時地球上的造山帶是史無前例的。這樣的巨型造山帶，能夠極大提升大陸的風化剝蝕作用，為俯沖帶提供了大量的沉積物。姚金龍闡述：“這些俯沖帶的富水沉積物又能提高俯沖速率，保持俯沖作用乃至全球板塊構造的穩定?！薄斑@表明板塊構造的演化存在內驅動力，內驅動力又會隨著俯沖帶沉積物消耗、俯沖帶‘饑餓’而降低?！?/p>
“俯沖帶饑餓”是指俯沖帶缺少沉積物補償的意思。趙國春解釋。
為此，文章作者們認為，岡瓦納大陸聚合過程中現代板塊構造的啟動與建立，形成了全球范圍內多階段的超大規模造山帶，多階段的超大規模造山剝蝕為大洋提供了豐富的Fe、P等營養物質，促進了藍藻等海洋植物的光合作用，釋放出大量自由氧，造成大氣持續增氧。與此同時，大規模的大陸剝蝕作用埋藏了有機碳和黃鐵礦，起到了有機碳封存的作用，阻止了其對大氣自由氧的消耗。
此外，他們還認為作為板塊構造組成部分的大陸弧是大氣CO2的主要來源?，F代板塊啟動建立過程中，大陸弧規模不斷提高，這個過程對大氣增氧和地球溫度提升也起到了積極作用，其對表生圈層演化的貢獻不容忽視。
因此，該團隊認定，板塊構造通過兩方面過程促進了新元古代—早古生代大氣圈第二次增氧事件（NOE）；大氣圈的持續增氧為埃迪卡拉紀、寒武紀生命大爆發提供了必要的條件。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24422-z
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