地球早期板塊構(gòu)造的成因及其地質(zhì)意義

2006年6月，美國懷俄明州倫納德韋勒斯學(xué)院的倫納德韋勒斯會議討論了板塊結(jié)構(gòu)的開始時間。會議進行了以下討論。“地球上唯一的板塊結(jié)構(gòu)是板塊結(jié)構(gòu)的星，但為什么板塊結(jié)構(gòu)的發(fā)展和板塊結(jié)構(gòu)的時間和方法仍有爭議。一些科學(xué)家認為板塊結(jié)構(gòu)始于古代，另一些科學(xué)家認為，初始時間應(yīng)該比古代晚。根據(jù)模型的模擬實踐，地幔對稱主要受地球熱圈層和巖石圈的控制。現(xiàn)在，受擠壓帶密度高的巖石圈的沉降是板塊運動和洋底擴張的主要原因，也是地球冷卻的主要方式。地球早期的高溫度導(dǎo)致巖石圈非常脆弱且密度較低。因此，地幔對稱的類型可能不同于現(xiàn)代。這一成就對人們的經(jīng)驗理解（地質(zhì)事件和實驗數(shù)據(jù)的解釋）非常重要。為了證明地球在一段時間內(nèi)存在板塊結(jié)構(gòu)，需要提供相關(guān)的板塊開挖，以及通過其他獨立方法獲得的板塊運動和旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。板塊結(jié)構(gòu)的初始時間和機制是地球科學(xué)中懸而未決的主要問題之一。要解決這個問題，需要進行創(chuàng)新思維和跨學(xué)科的研究。--理論分析包括地球熱的歷史、板塊運動的動力來源、地球可持續(xù)冷卻對地球發(fā)展的影響。經(jīng)驗理解包括對板塊運動的具體地質(zhì)觀察和實驗室測試分析結(jié)果。板塊結(jié)構(gòu)的識別標志包括古代地磁、巖漿巖素和養(yǎng)分、變形方法、脈沖產(chǎn)物（如蛇綠巖、綠島巖、榴輝巖、含碳巖和鉆石）。具有穩(wěn)定的生命力，與板塊結(jié)構(gòu)密切相關(guān)（如被動邊緣聚集序列和島拱巖石組合）。'。來自14個國家的61位地球科學(xué)家就板塊構(gòu)造的啟動時間作了廣泛交流.關(guān)于會議的細節(jié)請參閱文獻[1,2]和會議論文1).我認為,具有現(xiàn)代形式的板塊構(gòu)造在地球歷史上開始得很晚,可能在約1Ga或更晚一些.只有少數(shù)人同意這種觀點.與會的絕大多數(shù)地球科學(xué)家認為,板塊構(gòu)造在很早就已出現(xiàn)但隨著地球的冷卻,板塊構(gòu)造的形式也應(yīng)該發(fā)生了變化.本文就板塊構(gòu)造何時開始這一問題展開更為詳細客觀的闡述.首先對現(xiàn)代板塊構(gòu)造/俯沖體系作一介紹,然后對比分析地球與相鄰行星及月球在構(gòu)造方面的不同之處和意義.最后,列舉板塊構(gòu)造的一些地質(zhì)判別證據(jù)并做初步探討.1板塊運動與巖石圈對流方向不垂直,缺乏反向重力板塊構(gòu)造描述了巖石圈塊體在近球形的地球表面如何運動及相互作用.板塊運動常用絕對或相對參照系下的旋轉(zhuǎn)軸和角速度的方式表達.板塊構(gòu)造是一種極其實用但也單純的運動學(xué)描述.這種理論是在不清楚板塊運動的動力來源時提出的.早期人們錯誤地認為這種動力來自于巖石圈下覆軟流圈的對流和地幔的弱化(圖1(b)).這種思想根深蒂固,現(xiàn)在地質(zhì)入門課程中仍這樣講授.一本很流行的教科書說板塊運動的一種重要的驅(qū)動力是“軟流圈對流施加于板塊底部的牽引力”.這種想法如果是正確的,將導(dǎo)致這樣一個結(jié)論:早期的地球溫度很高,軟流圈粘度低且能夠快速混合,因而板塊很多或板塊運動速度很快.與之相反,如果目前的認識(即板塊運動的驅(qū)動力主要來自大洋巖石圈在俯沖帶的俯沖)是正確的話,那么只有當?shù)厍蚶鋮s到一定程度,洋盆的主體組成即大洋巖石圈出現(xiàn)重力不穩(wěn)定時,板塊構(gòu)造才可能出現(xiàn).軟流圈對流驅(qū)使板塊運動的假設(shè)既與現(xiàn)代地球動力學(xué)的研究認識不符,也與軟流圈對流和板塊運動方向的實際觀察結(jié)果不一致.首先,軟流圈與巖石圈的耦合很弱,對巖石圈運動影響很小.軟流圈的對流方向并不平行于上覆巖石圈的運動方向.在大洋板塊下面,軟流圈向洋中脊運動,而在板塊邊緣它卻流入或流出海盆,這取決于洋盆是在擴張(大西洋型)還是在收縮(太平洋型).一些人認為軟流圈對流方向是向東,然而向東移動的板塊運動速度并不比向西移動的板塊快.軟流圈對流雖然可以給增厚的大陸巖石圈底部施加一定的牽引力[10~12],但它同時也給含陸板塊的整體運動帶來了阻力.關(guān)于板塊運動與軟流圈對流互不相干的最突出的例子莫過于澳大利亞-南極不諧和帶(AAD).這里印度洋和太平洋軟流圈地幔相遇,然后沉入分割澳大利亞和南極兩個板塊的洋中脊下面的地幔中.現(xiàn)已很清楚,板塊運動是板塊自我驅(qū)動并控制地幔對流的總體格局.具有反向浮力的巖石圈在俯沖帶發(fā)生下沉并進入地幔是板塊運動驅(qū)動力的根本來源(圖1(a)).大洋巖石圈在洋中脊形成時僅由基性地殼構(gòu)成,具有向上的浮力.雖然洋殼本身密度比軟流圈輕,但巖石圈地幔部分溫度較低,密度比軟流圈大.自洋中脊向海溝方向,隨著巖石圈逐步變老和傳導(dǎo)式熱散逸的進行,上地幔部分溫度逐漸降低,使得整個大洋巖石圈逐步增厚,巖石圈的密度也逐漸變大(圖2).這就會產(chǎn)生浮力轉(zhuǎn)折點,即當大洋巖石圈比軟流圈密度大時,向上的浮力作用小于向下的重力作用,形成反向浮力.對目前的地球而言巖石圈形成反向浮力所需的時間相當短,大概只需要20~40Ma.年齡變老的巖石圈的反向浮力提供了板塊構(gòu)造所需的勢能.這種勢能由洋脊的推力和板塊的牽引力與吸引力構(gòu)成.洋脊推力的貢獻約占總驅(qū)動力的10%,而俯沖帶巖石圈的下沉提供了總驅(qū)動力的90%因此,地球現(xiàn)代構(gòu)造類型應(yīng)稱之為“俯沖構(gòu)造”為宜地震層析圖像指示,一些俯沖板片可能俯沖至1100~1300km甚至1700km地幔深度,但目前仍不清楚它們是否可以持續(xù)俯沖到核-幔邊界.俯沖帶巖石圈的下沉對板塊運動產(chǎn)生兩種控制力:一種是直接給板塊施加牽引力(板片牽引力);另一種是夾帶周圍的地幔與之一起下沉(板片吸引力).拆離的俯沖板片甚至也有助于板塊運動,它同樣能夾帶部分地幔一起下沉,這就是眾所周知的“板片吸引”作用.如果板片牽引力和板片吸引力各占總驅(qū)動力的一半,則可以很好地預(yù)判目前觀測到的各板塊運動方向.板塊運動并不平行于Wadati-Benioff帶,但它也有豎直運動分量,導(dǎo)致海溝后退,正如太平洋的收縮所要求的.巖石圈的能量耗散和軟流圈的粘滯力均對俯沖帶巖石圈的下沉施加了阻力(圖1(a)).巖石圈的阻力包括:俯沖帶板塊俯沖時的板片變形彎曲(約占總耗散力的40%)和海溝外側(cè)增生體的斷裂、走滑阻力變形等.軟流圈的粘度和阻力都隨深度增加而變大.驅(qū)動力和阻力之間的物理平衡關(guān)系要求板塊運動有一個速度限制.比如,新生代60Ma時,印度板塊向北運動的速度170mm/a可能是板塊運動速度的上限.總之,地球動力學(xué)家們目前一致認為,板塊構(gòu)造和俯沖作用引發(fā)了地幔對流,總稱為“從上到下的構(gòu)造”(Top-downTectonics).這種共識促使人們有必要重新研究“隨著地球冷卻,這些向下的驅(qū)動力是何時大于向上的阻力,從而產(chǎn)生板塊構(gòu)造”這一問題首先,簡要分析其他硅酸質(zhì)行星,以突出地球板塊構(gòu)造在太空尺度上的特殊性.當然,板塊構(gòu)造在時間維度上也可能有其特殊性.2兩種熱傳導(dǎo)蓋層模式板塊構(gòu)造這一地球分支學(xué)科研究的是地球的外部熱傳導(dǎo)層即巖石圈的變形作用.變形作用可以在各個尺度上發(fā)生,小至礦物顆粒,大到山脈和洋中脊.構(gòu)造類型實質(zhì)上反映了行星釋放內(nèi)部熱量的方式,板塊構(gòu)造同樣也是行星冷卻的一種方式.在5個最大的硅酸質(zhì)天體(水星、金星、地球、月球和火星)中,只有地球上存在著俯沖作用和板塊構(gòu)造.因為構(gòu)造類型從根本上反映了冷卻方式,而大行星保持其內(nèi)部熱量的時間要比小行星長久.所以,地球作為最大的硅酸質(zhì)行星,具有與眾不同的構(gòu)造類型也就不難理解.然而,對地球這一獨特的冷卻方式還需作更細致的研究.盡管行星內(nèi)部放射性元素衰變可以產(chǎn)生熱量,但總體上講行星是在逐步損失熱量.行星內(nèi)部熱量一般通過傳導(dǎo)和對流方式(淺成巖漿侵位、熔巖流和熱液活動)進行逃逸.地球每年估計散失4.2×1013W的熱量:其中32TW通過淺部熱邊界層(巖石圈)的熱傳導(dǎo)方式進行;10TW可能通過洋中脊的熱液活動方式逃逸.類似于地球這樣構(gòu)造活躍的行星由于散失的熱量大于產(chǎn)生的熱量,因此總體呈逐漸冷卻趨勢.當然,如果行星內(nèi)部有高豐度的放射性元素且表面有厚的熱傳導(dǎo)蓋層,行星內(nèi)部也可能逐漸變熱.這些行星在形成初期都經(jīng)過了部分或大部分的熔融(巖漿海階段),但該階段延續(xù)時間很短.行星形成初期因為有巨量熱源,所以巖漿海是行星初期不可避免的一個階段.這一時期的熱源區(qū)包括:行星增生、高含量的放射性元素U,Th和K,滅絕核素(特別是26Al)的存在、隕石的持續(xù)碰撞、成核作用、甚至還可能有太陽的光度變化(T-tauriphase)[27~29].巖漿海是熾熱的行星進行熱散逸的最有效途徑.當行星固結(jié)并在表面形成熱傳導(dǎo)蓋層時,行星的冷卻方式也將發(fā)生變化.靜止蓋層模式(即覆蓋在整個星體表面的一個巖石圈板塊)似乎是硅酸質(zhì)行星進行熱散逸的主要方式,但也可以出現(xiàn)許多變化.目前對巖漿活躍的靜止蓋層模式知之甚少.該模式中巖漿不斷活動并運移至行星表面,這要求巖石圈必須下沉至行星深部(或許通過拆沉作用).需要靜止蓋層模式的理由多種多樣:有時反映了漂浮的巖石圈,有時是因為巖石圈太穩(wěn)固,有時是因為下覆軟流圈的粘性太大,有時是因為行星太小溫度太低.既然靜止蓋層構(gòu)造是目前行星的主要構(gòu)造模式,那么地球在4.5Ga的演化過程中似乎也曾經(jīng)歷了一次或幾次靜止蓋層階段.地球的靜止蓋層構(gòu)造幾乎可以肯定會伴隨有大量的構(gòu)造和巖漿活動,它們可能出現(xiàn)在板塊構(gòu)造形成之前或者出現(xiàn)在板塊構(gòu)造間歇期.在行星冷卻過程中,熱散失方式和構(gòu)造類型可能經(jīng)歷了多次改變,但行星冷卻的最終方式只可能是熱傳導(dǎo)這一種形式;此時行星的構(gòu)造和巖漿活動都將暫時或永遠停止,目前的水星和月球就處于這種狀態(tài)中.它們只能通過表面熱傳導(dǎo)來散失熱量,而熱傳導(dǎo)的散熱效率很低.這些小天體的靜止蓋層不僅非常厚,而且也非常穩(wěn)定.如果靜止蓋層很厚又有大量的放射性元素,行星的內(nèi)部也可能變熱.在此情況下,地幔潛能溫度(Tp)(絕熱減壓部分的地幔溫度)會增加,甚至可能達到巖石的熔點.這樣,原先不活動的靜止蓋層會通過巖漿作用再次活動,導(dǎo)致行星表面發(fā)生周期性再造,就如金星和月球的陰暗區(qū)那樣.因此,靜止蓋層模式是行星熱散逸的一個非常穩(wěn)定的方式,對于不活動的天體(月亮和水星)和活動的行星(火星和金星)都是如此.一般而言,通過靜止蓋層方式散失的熱量隨地幔潛能溫度Tp的升高而變大,因為內(nèi)部溫度的升高會導(dǎo)致熱傳導(dǎo)蓋層的厚度變薄.如果巖石圈減薄,行星在熱傳導(dǎo)方式冷卻的基礎(chǔ)上,還可能通過對流方式(如周期性的熱點/熱通道火山活動或巖石圈拆沉)進行熱散逸.對有靜止蓋層的行星而言,較高的潛能溫度Tp有利于熱點火山活動或巖石圈拆沉作用的發(fā)生,因此大而熱的行星(如金星)上的靜止蓋層一般都不太穩(wěn)定.火星的靜止蓋層分布有Tharsis大火山群和VallesMarineris裂谷,因而具有中等不穩(wěn)定性質(zhì).火星南半球古老高地的線性磁異常和類似安山巖巖石的出現(xiàn)均表明,板塊構(gòu)造在很早以前可能存在過,但目前已經(jīng)消失.地球的姊妹星——金星也有一個非常不穩(wěn)定的靜止蓋層,它的構(gòu)造和巖漿活動要比火星劇烈得多,出現(xiàn)周期性的地表再造事件.金星的地表再造事件可能反映了大規(guī)模的巖石圈拆沉事件,巖石圈底部的拆沉引發(fā)了金星表面大規(guī)模的火山活動.火星上類似的巖石圈拆沉可能是造成其南北半球不連續(xù)的原因,南半球保留了古老的巖石圈和密集的火山口,而北半球的巖石圈則年輕得多.根據(jù)文獻修改后的圖3顯示了行星的熱散逸方式(即構(gòu)造模式)與行星Urey比值(熱產(chǎn)出量與熱散逸量的比值)和地幔潛能溫度Tp之間的關(guān)系.地球的Urey比值估計為0.16到0.65~0.85,而大多數(shù)研究者采用的比值約為0.4.圖3只顯示了幾種簡單的構(gòu)造模式,這樣可以更好地說明“板塊構(gòu)造只有在合適的地幔溫度條件下才會出現(xiàn)”的觀點.盡管對靜止蓋層模式的研究目前才剛剛開始,但相信巖漿海和靜止蓋層構(gòu)造確實出現(xiàn)過.它們在具有穩(wěn)定靜止蓋層和不穩(wěn)定靜止蓋層的行星中都會存在.地幔柱、大火成巖省和巖石圈拆沉這三種基本的內(nèi)生作用使得地球的構(gòu)造形式更加復(fù)雜.目前還不能確定,板塊構(gòu)造前的一些地球構(gòu)造變形類型在圖3中的合理位置,如榴輝巖水滴構(gòu)造和地殼拆離-地幔置換構(gòu)造旋回等等;這些構(gòu)造類型可能并不指示原始板塊構(gòu)造,而是反映了板塊構(gòu)造出現(xiàn)之前地球上非常不穩(wěn)定的靜止蓋層模式.根據(jù)以上對地球Urey比值的描述可知,板塊構(gòu)造是行星熱散逸的一種非常有效的方式.這是因為洋中脊擴張能夠?qū)?nèi)部熱量有效地運移至地表;與此同時,俯沖帶將冷的地表物質(zhì)帶入深部地幔并使之冷卻.然而,正是因為板塊構(gòu)造對行星的冷卻如此有效,在行星的演化過程中,板塊構(gòu)造即便出現(xiàn),也只是持續(xù)較短一段時間.展望未來,地球的板塊構(gòu)造將會隨著洋中脊的閉合而中止,因為這時地幔溫度太低,不足以發(fā)生絕熱減壓熔融,導(dǎo)致洋中脊無法成為板塊的邊界.在地球過去的某些時期,由于海溝閉合,板塊構(gòu)造也無法發(fā)生.這是因為地幔太熱,形成的洋殼很厚,造成大洋巖石圈浮力太大不能俯沖(圖3).我們尚不清楚有利于地球板塊構(gòu)造的這些條件可以延續(xù)多長時間,但上述分析表明,在地球漫長的演化歷史中,這些條件似乎不太可能持續(xù)存在.3關(guān)于板塊構(gòu)造板塊構(gòu)造是一個典型的、非平衡復(fù)雜體系的自組系統(tǒng)(selforganizing,farfromequilibriumcomplexsystem,簡寫為SOFFECS).SOFFECS的定義要求具備以下條件:一個物理或化學(xué)開放體系、一個巨大而穩(wěn)定的外部物質(zhì)或能量供給源、與體系中各組分的非線性關(guān)聯(lián)、耗散作用、一個熵輸出機制.Prigogine等人曾用置于爐上加熱的平底鍋中水的對流作為自組系統(tǒng)的例子,但它實際上是由上部表面張力引起的重組現(xiàn)象.Anderson注意到,板塊構(gòu)造滿足自組系統(tǒng)要求的這些條件,因此是一個自組系統(tǒng).板塊構(gòu)造是地球目前向外傳遞熵的一種方式,它是一個開放體系并提取地球內(nèi)部巨大的能量,同時板塊在俯沖帶彎曲變形或遭遇地幔的粘滯阻力時也存在著耗散作用(圖1).板塊構(gòu)造是對鎂硅質(zhì)固相冷卻調(diào)整時做出的一種非線性響應(yīng).地球的地幔潛能溫度和淺部的溫度差異很大,因而地球本質(zhì)上是一個不穩(wěn)定的非平衡態(tài)系統(tǒng).由此可見,板塊構(gòu)造是地球上最大的SOFFECS.SOFFECS的概念促使我們要慎重應(yīng)用均變論——“將今論古”原理.對這個原理的盲目應(yīng)用可能不利于重建地球歷史和動力學(xué)機制.白堊紀/第三紀碰撞和生物滅絕事件以及新元古代雪球地球事件等突變事件均顯示了均變論的局限性.應(yīng)把板塊構(gòu)造看作是一個獨特行星上的特殊現(xiàn)象.板塊構(gòu)造是地球區(qū)別于其他行星的重要標志,地球在宇宙中的獨特性表明,板塊構(gòu)造也只能局限在一定的時間段.板塊構(gòu)造是一個非平衡復(fù)雜體系中的自組系統(tǒng),這種認識強調(diào)了如下觀點:SOFFECS是一個非常不平衡的體系,它有開始便會有結(jié)束,自組過程是快速的且不可預(yù)測的.地球上目前這個巨型自組系統(tǒng)(即板塊構(gòu)造)似乎也應(yīng)該經(jīng)歷了多期的演化階段.4巖石圈重力下降,積極既然古老大洋巖石圈的反向浮力是現(xiàn)代板塊運動的驅(qū)動力,為了研究板塊構(gòu)造的啟動時間,必須要知道巖石圈密度在4.5Ga的時間內(nèi)是如何隨地球冷卻而變化的.板塊構(gòu)造只有在巖石圈的大部分出現(xiàn)重力不穩(wěn)定時才會出現(xiàn).巖石圈重力不穩(wěn)定也只是一個必要條件,并非充分條件.因為板塊構(gòu)造還要求巖石圈必須薄弱到能夠產(chǎn)生斷裂、彎曲和下沉;同時巖石圈又不能太弱,在從洋中脊向俯沖帶移動的過程中還得能夠維持成一個完整體.大洋巖石圈的密度主要受它的年齡控制(圖2).洋殼厚度和組分(以及洋殼密度)則取決于地幔潛能溫度Tp,因為Tp決定了地幔上涌事件中的巖漿量.太古代的地幔潛能溫度Tp要顯著高于現(xiàn)在的相應(yīng)值,可能高300~500℃.太古代熾熱地球的海底擴張和地幔減壓熔融會產(chǎn)生厚的洋殼,這使得巖石圈浮力較大.這樣的巖石圈要產(chǎn)生反向浮力需要經(jīng)過非常長的時間,導(dǎo)致俯沖難以產(chǎn)生.另一個問題是何時板塊構(gòu)造才能持續(xù)進行.因為傳導(dǎo)性熱散逸和洋殼增厚均受巖石圈年齡的控制(呈正相關(guān)關(guān)系),所以大洋巖石圈最終肯定會出現(xiàn)重力不穩(wěn)定.早期熾熱地球產(chǎn)生重力不穩(wěn)定的時間估計需要幾十甚至幾百個百萬年,而現(xiàn)在卻只需20~40Ma.如果巖石圈浮力轉(zhuǎn)換時間遠大于現(xiàn)在的相應(yīng)值,那么具有反向浮力的巖石圈經(jīng)俯沖消亡的速度會比它形成的速度快得多,從而使得俯沖停止或呈周期性.目前大洋巖石圈的平均年齡約為100Ma,遠遠大于浮力轉(zhuǎn)化時間(20~40Ma),因而具有反向浮力的巖石圈不會枯竭,俯沖能夠持續(xù)進行.早期的地球因為浮力轉(zhuǎn)換時間很長,俯沖會使具有反向浮力的巖石圈消亡,所以俯沖不能持續(xù)進行.再經(jīng)過一段時間,隨著巖石圈進一步冷卻俯沖又可能周期性出現(xiàn),但也有可能從此不再出現(xiàn).只考慮巖石圈密度還不能解決板塊構(gòu)造何時開始這一問題.巖石圈還必須能夠斷裂,產(chǎn)生軟流圈上涌和巖石圈下沉.巖石圈強度一般隨著年齡的增長(對應(yīng)重力不穩(wěn)定性的增加)而增強,因此巖石圈強度是所有俯沖啟動模型中遇到的最大問題.據(jù)此,多數(shù)研究者提出俯沖帶只有在巖石圈曾經(jīng)發(fā)生過斷裂的部位出現(xiàn),如轉(zhuǎn)換斷層或斷裂帶.由靜止蓋層構(gòu)造向板塊構(gòu)造的轉(zhuǎn)化,也要求巖石圈必須發(fā)生斷裂來誘發(fā)俯沖,但目前仍不清楚這種構(gòu)造轉(zhuǎn)化的機制是什么.或許是一次隕石撞擊事件或者是一次大規(guī)模的拆離事件導(dǎo)致巖石圈斷裂,并最終演化形成最早的俯沖帶.水是另一個必須考慮的重要因素.事實上地球上多數(shù)活動板塊邊界都位于水下,這也許就是為什么只有地球存在板塊構(gòu)造的原因.水會減弱巖石的強度,降低熔點,所以會使得巖石圈的強度減弱,軟流圈地幔的粘度降低.蛇紋石化是引起巖石圈地幔變?nèi)醯年P(guān)鍵,但它同樣要求有水的參與.顯然,地球較高的水含量有利于板塊構(gòu)造的存在,但只有在巖石圈出現(xiàn)重力不穩(wěn)定的情況下,板塊構(gòu)造才可能出現(xiàn).5板塊構(gòu)造判別依據(jù)上面的理論分析有助于進一步查證那些保留至今且記錄了最早板塊構(gòu)造信息的地質(zhì)事件.為此,必須首先明確哪些是板塊構(gòu)造最可靠的判別標志,尤其是那些最有可能保存下來的判別標志.必須認識到,有些證據(jù)已被地表風(fēng)化或俯沖帶構(gòu)造侵蝕抹去,或者因為變形和變質(zhì)作用而消失.地質(zhì)事件(記錄)顯然是不完整的,而且永遠也無法知道它們?nèi)笔У某潭扔卸啻?但是,能夠為板塊構(gòu)造啟動時間這一研究提供制約的地質(zhì)記錄至少可以部分被保留下來.鑒于這些不確定性,任何有關(guān)板塊構(gòu)造啟動時間的判別依據(jù)都應(yīng)該被視為最小制約;所能說的是,板塊構(gòu)造開始的時間不會晚于由可靠地質(zhì)依據(jù)確定的時間.在建立板塊構(gòu)造判別標志的工作中,必須持謹慎態(tài)度,以避免自我循環(huán)推論.尤其需要注意的是,不能將觀察現(xiàn)象和解釋混為一談(例如,具有Nb虧損特征的枕狀玄武巖是觀察事實,它的弧后盆地成因是解釋).僅僅依據(jù)陸殼、巖漿巖或變質(zhì)巖的存在和某一時期的變形事實,還不足以指示它們一定是板塊構(gòu)造的產(chǎn)物.眾所周知,金星和火星上目前沒有板塊構(gòu)造,但它們依然經(jīng)歷了火山活動和變形作用,板塊構(gòu)造出現(xiàn)之前的地球也理當如此.我們推測板塊構(gòu)造前的地球可能由不穩(wěn)定的靜止蓋層構(gòu)造所控制,構(gòu)造和巖漿活動主要以熱點巖漿作用和下地殼/巖石圈地幔的拆沉為主.在下面的論述中,只列舉和探討一些最可靠的板塊/俯沖構(gòu)造判別依據(jù).這些依據(jù)包括:蛇綠巖、藍片巖和超高壓變質(zhì)帶、榴輝巖、被動板塊邊緣、轉(zhuǎn)換斷層、古地磁、巖漿巖地球化學(xué)和同位素特征.這些地質(zhì)判別依據(jù)可以從很多角度來加以探討,不僅要考慮它們的組合和性質(zhì)何時第一次出現(xiàn),而且又要考慮它們何時第一次占據(jù)主導(dǎo)地位.這些判別依據(jù)如圖4所示.依據(jù)不同的判別標志推測出的板塊構(gòu)造啟動時間有所不同,這也不足為怪.(ⅰ)蛇綠巖是大洋巖石圈的一部分,并構(gòu)造侵位于陸殼當中,是板塊構(gòu)造的可靠判別標志.蛇綠巖反映了板塊構(gòu)造模式中巖石圈運動的兩種方式:一種是海底擴張形成洋殼,另一種是板塊匯聚使洋殼構(gòu)造侵位于陸殼當中.雖然蛇綠巖的形成地點仍有爭議,但這無關(guān)緊要,因為有關(guān)蛇綠巖形成和侵位的所有構(gòu)造模式中均要求有俯沖作用的參與.完整的蛇綠巖套包括:遠洋沉積物、枕狀玄武巖、席狀巖墻、輝長巖侵入體、和構(gòu)造擾動過的超基性巖殘留體(方輝橄欖巖和二輝橄欖巖),但保存完好的蛇綠巖套序列非常罕見.作為板塊構(gòu)造判別依據(jù)的蛇綠巖可以是蛇綠巖套的一部分,但蛇綠巖套的所有巖石類型必須全部出現(xiàn),即便它們受到了構(gòu)造擾動.如果想推測受到擾動的基性-超基性巖石組合是蛇綠巖套的一部分,最低也得滿足兩個條件:一是枕狀拉斑玄武巖具有U型稀土分布特征;二是方輝橄欖質(zhì)超基性巖含有富Cr尖晶石.蛇綠巖可能很容易被剝蝕搬運因為目前保存最好的例子出現(xiàn)在一個構(gòu)造推覆體的最頂部.華北2.5Ga的Dongwanzi蛇綠巖曾被認為是迄今發(fā)現(xiàn)的最古老蛇綠巖,但是已經(jīng)有人對此提出質(zhì)疑.目前尚無爭議的最古老的蛇綠巖分別是加拿大Purtuniq約2.0Ga蛇綠巖和芬蘭Jormua1.96Ga蛇綠巖;這兩個蛇綠巖的年齡相近,這可能具有重要意義.它們與更常見的新元古代和更年輕的蛇綠巖有一些不同之處,后者通常具有SSZ型(即俯沖帶上盤的弧后裂谷)構(gòu)造屬性.Jormua變玄武巖具有富集特征,而且沒有SSZ型的特征,被認為形成于類似紅海的小洋盆裂谷中.(ⅱ)藍片巖是一種含大量鈉質(zhì)角閃石的變基性巖,是高壓低溫變質(zhì)作用的產(chǎn)物.它是“B型”超高壓地體的代名詞,也是太平洋型造山帶的一個主要特征.藍片巖常與古老俯沖混雜巖共生,因而被認為只形成于俯沖帶環(huán)境,對活動造山帶的研究證實了這一觀點[61~63].研究最充分的藍片巖分別位于Franciscan和Sanbagawa地體,它們曾經(jīng)俯沖到15~70km深度,然后再折返回地表.半個世紀以來,人們在非常古老的巖石中均沒有發(fā)現(xiàn)藍片巖.目前最老的藍片巖時代為新元古代700~800Ma.它們的分布非常廣泛,包括西非和印度.曾報道中國西部存在表面年齡為新元古代的藍片巖,但是對其變質(zhì)時代尚未得到證實(也可能形成于古生代).據(jù)說在中國華南地區(qū)可能存在有更老一些的藍片巖(約940Ma),但是對藍片巖本身的存在與否尚未定論.目前還沒發(fā)現(xiàn)新元古代之前的藍片巖.這一現(xiàn)象似乎不是由于藍片巖保存困難造成的.因為藍片巖通常會保存在古俯沖帶中,它們不太容易被剝蝕運移.在南非發(fā)現(xiàn)的3.2Ga低溫高壓變質(zhì)巖表明,如果藍片巖在新元古代之前的確產(chǎn)生和折返過,那么它們在古老俯沖帶中也應(yīng)該會有所保存.有人可能認為,新元古代之前藍片巖缺失這一現(xiàn)象,可以作為“現(xiàn)代俯沖構(gòu)造何時開始”的一個重要指示依據(jù),但實際情況并非如此.與此相反,很多地球科學(xué)家認為,藍片巖缺失反映了新元古代之前地球很熱,導(dǎo)致俯沖帶內(nèi)無法形成藍片巖.當然,早期地球有較高的地幔潛能溫度,但這可能并不能影響到俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)和藍片巖的形成與否.俯沖帶的熱結(jié)構(gòu)主要反映了俯沖巖石圈的年齡和板塊匯聚速率,而非地幔潛能溫度.要想解決這一爭論,只能寄希望于熾熱地球俯沖帶地球動力學(xué)模型的研究進展.(ⅲ)超高壓變質(zhì)地體是古俯沖帶的重要指示標志.它們是陸殼俯沖到>100km的深度并折返到地表后形成的.超高壓地體中的變質(zhì)指示礦物包括柯石英和/或金剛石,指示的變質(zhì)溫度為700~900℃,變質(zhì)壓力為3~4GPa或更高.與藍片巖不同的是,藍片巖的構(gòu)造意義已經(jīng)被關(guān)注了非常長的時間,而人們對超高壓變質(zhì)巖的認識只有15a左右的時間,更多的超高壓變質(zhì)帶肯定會在將來被發(fā)現(xiàn).最古老且年代學(xué)數(shù)據(jù)可靠的超高壓地體位于馬里(Mali),含柯石英片麻巖的變質(zhì)年齡約為620Ma.最古老的含金剛石超高壓地體位于哈薩克斯坦,Kokchetav地體中含金剛石和柯石英副片麻巖在大約530Ma時曾俯沖到>120km的深度.因此,陸殼深俯沖的第一個證據(jù)發(fā)現(xiàn)于新元古代晚期和寒武紀早期變質(zhì)地體中.(ⅳ)榴輝巖通常被認為可以指示板塊構(gòu)造活動但有很多種途徑可以形成具有石榴石-單斜輝石礦物組合的變質(zhì)巖和巖漿巖.含硬柱石榴輝巖的確指示了俯沖帶變質(zhì)作用,但這種巖石目前只在顯生宙地體中產(chǎn)出.中溫高壓榴輝巖和麻粒巖的最老時代可追溯到晚太古代,但它們反映了比現(xiàn)代俯沖帶更高的地?zé)崽荻?圖5總結(jié)了地球演化歷史過程中的變質(zhì)類型,在新元古代之前的巖石中并未發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)代俯沖帶相似的低溫高壓變質(zhì)作用.(ⅴ)被動邊緣的地質(zhì)紀錄也是一個很重要的制約因素.與大西洋周邊相似的被動大陸邊緣是大陸通過裂谷拉張而解體,并在大陸邊緣外側(cè)發(fā)育一個長期穩(wěn)定的洋盆時形成的.被動大陸邊緣的形成需要幾十至幾百個百萬年的時間,數(shù)百米的熱沉降區(qū)提供了足夠的空間來接納沉積物質(zhì).由于與大陸河流或冰川碎屑源區(qū)距離較近,被動邊緣往往可以形成巨厚沉積物.這些沉積物可以有不同的源區(qū):陸殼源區(qū)、洋殼源區(qū)以及位于被動邊緣下部的陸殼-洋殼過渡區(qū)域.因為被動邊緣通常有厚層陸殼沉積物,它們很難整體俯沖,所以在古縫合線位置應(yīng)該會部分殘留.相關(guān)的研究表明,最老的被動邊緣可追溯到大約2.7Ga,但在2.0和0.9Ga左右才普遍出現(xiàn)(與Bradley的單獨交流,2006).(ⅵ)轉(zhuǎn)換斷層——板塊邊界的走滑斷裂,如SanAndreas斷裂,是板塊邊界的三種基本類型之一,古老的轉(zhuǎn)換斷層也是板塊構(gòu)造的可靠標志.Sleep認為,某個階段的大型走滑斷裂表明了剛性板塊和弱板塊邊界,應(yīng)作為板塊構(gòu)造的證據(jù).研究程度較高的太古代走滑斷裂位于澳大利亞Yilgarn和Pilbara克拉通內(nèi).Sleep認為,非洲南部Inyoka斷裂是最古老的走滑斷裂,形成年齡為3200Ma,但有些人認為它是逆沖斷裂.由此可見,對走滑斷裂的分析必須持謹慎態(tài)度.我們知道,并非所有的走滑斷裂都是轉(zhuǎn)換斷層,只有長度和位移都很大時才有可能.洋殼中的轉(zhuǎn)換斷層長度可以較短,但陸殼中的走滑斷裂長度一般可達數(shù)百至數(shù)千公里,走滑位移量一般達到數(shù)十至數(shù)百公里.長度短且位移小的走滑斷裂在很多地質(zhì)背景下都能出現(xiàn),不能作為板塊構(gòu)造的證據(jù).例如,據(jù)雷達成像推測,金星也有走滑斷裂,但這并非由板塊構(gòu)造活動引起,而是地幔下沉的應(yīng)力作用結(jié)果,它和巖石圈一起導(dǎo)致金星的靜止蓋層產(chǎn)生水平擠壓力和剪切力.(ⅶ)古地磁測量也可能對地殼不同塊體何時發(fā)生顯著差異性運動提供制約.但是,時間越老,古地磁測量結(jié)果的誤差越大,導(dǎo)致前寒武紀大陸運動的重建結(jié)果存在很大不確定性.這些不確定性源于地球磁場的變化.地球的磁極點可能并不總是與地理極點相接近,有可能產(chǎn)生磁極漂移;受蝕變和變質(zhì)作用的疊加,原始磁性也有可能重新磁化.最近,有人根據(jù)現(xiàn)有的古地磁數(shù)據(jù)庫分析認為,新元古代之前的幾個大陸運動存在著差異.Cawood等人指出對比同時代的古極點會產(chǎn)生不太準確的經(jīng)度和極化方向,但古地磁數(shù)據(jù)的確表明,澳大利亞和波羅的海地塊在1500~1770Ma期間均發(fā)生獨自漂移,這要求板塊運動和板塊構(gòu)造的存在.新元古代之前大陸地塊差異性運動的其他實例請參閱文獻[78~80].顯然深入的古地磁研究有助于解決“板塊構(gòu)造何時開始”這一難題,但前面提到的誤差和不確定性等問題必須克服.(ⅷ)巖漿巖的化學(xué)成分也能用來推測構(gòu)造背景與現(xiàn)代島弧巖漿化學(xué)成分相似的古巖漿巖被認為是俯沖和板塊構(gòu)造存在的重要依據(jù).現(xiàn)代洋弧中的玄武巖流體活動性元素相對相鄰元素具有顯著富集特征(如K,Sr,Pb),出現(xiàn)一個個尖峰.這些尖峰的出現(xiàn)還伴隨著不相容高場強(HFS)元素的強烈虧損,尤其是Nb和Ta的虧損.這些地球化學(xué)特征在微量元素標準化圖解(蛛網(wǎng)圖)中可以很好地顯示,也是構(gòu)建微量元素構(gòu)造判別圖解的依據(jù),并被廣泛用于推測古老巖漿巖的形成構(gòu)造背景.運用這種方法來分析古老玄武巖成因也有助于推測俯沖帶巖漿弧是否存在.這方面的工作在許多文獻中均有報道(Cawood等人舉了一些例子).Kerrich等人提供了太古代匯聚板塊邊緣的一些太古代巖漿巖研究實例,主要討論了玻安巖、鎂質(zhì)安山巖和埃達克巖.如推斷板塊構(gòu)造存在的其他證據(jù)一樣,必須注意這些重要的地球化學(xué)特征不是后期蝕變、地殼混染或繼承了巖石圈地幔特征的結(jié)果,就像許多顯生宙溢流玄武巖那樣.這種研究方法對古老巖石中具有原始特征的玄武巖最有效,因為它們受到古老陸殼混染的程度最小,而且陸殼混染還可以通過同位素和年代學(xué)研究來加以識別.但還得注意,古老巖石在蛛網(wǎng)圖中流體活動性元素尖峰不能是后期蝕變的結(jié)果;鑒于此,不活動微量元素尤其是高場強元素的地球化學(xué)特征應(yīng)該更可靠一些.在古老巖漿巖俯沖帶成因的一些判別依據(jù)中,最讓人信服的依據(jù)是巖漿巖Th/Yb和Ba/YbvsNb/Yb或Ta/Yb(x-軸)圖解.在這些圖解中,弧巖漿變化趨勢線平行但顯著高于由MORB和OIB定義的地幔演化線.這些圖解特別有用,因為這些元素不易受到擾動,除非巖石遭受強烈蝕變.同時,數(shù)據(jù)點沿垂向上的變化趨勢通常指示地殼混染.為了達到作圖要求,微量元素數(shù)據(jù)必須要有較高的分析精度,由于ICP-MS分析設(shè)備的廣泛應(yīng)用,這似乎不成問題.對地球不同年代的巖漿巖作類似的系統(tǒng)研究,有助于確定具有弧巖漿對角線演化趨勢的古巖漿巖出現(xiàn)的最早時間.(ⅸ)同位素組成是研究殼幔分異時間和地表物質(zhì)再循環(huán)的有力工具.包括MORB和OIB的Pb-Pb演化線在內(nèi)的很多研究表明,陸殼和沉積物進入地幔再循環(huán)的時間可追溯到太古代早期.Nd同位素組成分析也表明,地球早期就有虧損地幔的存在,表明很早就有了殼幔分異.對來自太古代克拉通幔源榴輝巖內(nèi)金剛石中的包裹體研究表明,它們具有與表殼巖相似的O,Sr和Pb同位素組成.對這些特征的最好解釋是,其原巖曾在地表遭受過洋底蝕變,然后再循環(huán)進入地幔.金剛石中非質(zhì)量分餾33S同位素異常也是“物質(zhì)在地表出露過再循環(huán)進入地幔”的重要證據(jù).這些同位素記錄清楚地表明,地幔分異和地殼物質(zhì)再循環(huán)均很早就已經(jīng)開始.但目前仍不清楚,這是否需要有俯沖作用,或者用某種對流模型也能解釋.以上對板塊構(gòu)造地質(zhì)判別標志的論述還只是個初步認識,這些標志也有待于進一步的評估和完善.同樣地,依據(jù)不同判據(jù)得到的板塊構(gòu)造開始時間也應(yīng)該不斷更新.不論怎樣,提出板塊構(gòu)造判別依據(jù)和開始時間表是推動相關(guān)探討深入進行的一個很好途徑.如何最好地解釋圖4列舉的板塊構(gòu)造判據(jù)和開始時間?同位素依據(jù)清楚地表明,表殼物質(zhì)可以再循環(huán)進入地幔并與地幔發(fā)生混合;但這不一定要求俯沖作用和板塊構(gòu)造的存在.弧巖漿地球化學(xué)特征也追溯到了地球早期,指示地球早期存在俯沖和板塊構(gòu)造.古地磁數(shù)據(jù)表明,至少在古元古代板塊就有差異性運動,而最古老的蛇綠巖也產(chǎn)生在這一時期.變質(zhì)巖是一個非常重要的線索,因為它指示了深俯沖的存在.在新元古代之前沒有發(fā)現(xiàn)深俯沖的地質(zhì)記錄(如藍片巖、超高壓地體和硬柱石榴輝巖),因此,認識到這一觀察事實非常重要.解決這一問題的另一途徑是,在地質(zhì)記錄中尋找和識別板塊構(gòu)造前地球巖漿和構(gòu)造活動的獨特標志.但目前面臨的困難是,還無法預(yù)見地球非板塊構(gòu)造環(huán)境下的巖漿和構(gòu)造活動會有哪些特征.