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【视频】【地球化学空中会议室】刘鹤：地质历史时期板块构造样式的演化
以下文章来源于高维度稳定同位素 ，作者高剑峰
图 | 刘鹤
题 目：地质历史时期板块构造样式的演化
报告人：刘鹤
单 位：中国科学院海洋研究所
时 间：2020-05-03
地 点：线上
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报告摘要
自从板块构造的理论问世，关于板块构造起始时间、板块构造的样式等科学问题的争论一直存在。这些争论直接推动了地球科学各个分支学科的迅速发展。刘鹤研究员的报告，系统介绍了地质历史时期板块构造样式的演化和控制因素以及相应的岩浆响应。Cawood在2020年Geology上发表的一篇文章，将地质历史时期的板块构造样式分成了两类：早期板块构造和现代板块构造。在板块构造之前的早期地球，则具有前板块构造和过渡阶段的特征。早期板块构造一直持续到800Ma左右，然后地球进入现代板块构造阶段。这一认识的提出，解决了板块构造理论中存在的争议问题。现代板块构造具有一些共性特征：狭长的板块边界连接成一个全球性网络；大洋板块俯冲以持续性的冷俯冲、深俯冲作用为主；陆壳可以俯冲至地幔深部才发生板片断离；蓝片岩相变质作用大量出现以及超高压变质岩出现等 (Stern, 2005, 2008, 2018; Brown et al. 2019, 2020; Zheng and Zhao, 2020)。地幔不同的热结构，对板块俯冲的样式具有显著的影响，例如在现代地幔的基础上增加100，200和300℃，分别会对应早期板块构造、过渡阶段以及前板块构造阶段的俯冲特征。数值模拟的结果显示，当现代地幔的温度增加175℃，板块俯冲就会发生断离，表现为间歇性俯冲。虽然我们无法回到地球早期去观测持续性板块俯冲什么时候开始，但是其留下的岩石学记录却可以给我们提供一些线索。例如，早期地球岩浆岩中的Nb，Ti和P与SiO₂之间没有显著的相关关系，而显生宙以来这些元素与SiO₂之间显示了负相关的关系。这一变化可能与碱性玄武岩浆活动相关。通过大数据的模拟可以看到，发生显著变化的时间是22-21亿年前。与之对应的是，这个时间前后科马提岩中的MgO含量也有显著降低。除了岩浆岩活动之外，变质岩的T/P也出现双峰式演化的特征。这些吻合的地质记录都支持了22-21亿年是间歇性俯冲到持续性俯冲的过渡时间，而这一时间正是Nuna超大陆形成的时间。持续俯冲开始的时间清楚了，那么什么时候从早期板块构造转变为现代板块构造呢？在Cawood （2020）的文章中，早期板块构造对应了两个超大陆循环（Super-cycle 1， 循环1）Nuna和Rodinia；而现代板块构造对应了Gondwana和Pangea两个超大陆循环（Super-cycle 2，循环2）。李正祥教授2019年统计了两个超大陆循环的古地磁数据，发现循环1的超大陆循环中超大陆没有显著裂解，外部大洋没有显著变化；而到循环2的时候，超大陆有显著的裂解作用，内部洋盆发展为大洋，外部大洋也有显著的消亡。因此，这两个循环有显著的差异。作为现代板块构造主要特征的变质作用——蓝片岩相变质作用的大量出现时间为750Ma左右，而超高压变质岩的出现要更晚（~620Ma），这些证据与古地磁数据能很好的对应。这样的一个转变，可能跟现代板块构造开始出现低角度俯冲，形成低温高压型变质作用有关。通过统计低程度部分熔融的碱玄岩的变化可以看出从元古代以来地球上碱玄岩所占的比例在逐渐上升，其成分所体现的源区熔融程度也在持续降低，也体现出现代板块构造体制下地幔温度持续降低和压力的持续升高。通过这样的系统的对比工作可以看出，全球板块构造体现出两阶段演化的特点：22-21亿年由间歇性俯冲到持续性俯冲转变以及800Ma左右由早期板块构造像现代板块构造演化的转变。地幔温度持续降低在这些全球板块构造样式的转变中发挥了重要作用。
个人简介
刘鹤，中国科学院海洋研究所特聘研究员，从事板块构造演化与全球性氧化事件的研究。本次报告将结合岩浆岩地球化学数据的统计学研究成果，分析地质历史时期板块构造样式的转变极其对地幔热状态和岩浆岩成分的影响。
地球化学空中会议室专栏（往期回顾）：
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编辑：苏苗苗地球化学空中会议室是国内青年地球科学工作者发起的线上会议学术论坛，会务组由多家单位的志愿者于2020年3月组建而成，2020年5月中国矿物岩石地球化学学会青年工作委员会参与主办。地球化学空中会议室一直秉承以学科前沿研究为导向，本着服务广大科研工作者和学生的初衷，旨在建立最新科研成果与研究进展，研讨新技术和方法以及地质学研究中的应用，探索多学科交叉研究发展的网络学术交流论坛。报告内容以地球化学学科为主，结合与地球科学研究相关领域的最新进展，包括同位素分馏理论和分析技术，地球化学和地球物理相结合，地球化学在矿床学、行星学、地震学、海洋学、古环境和古气候学等研究领域的应用。
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