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PNAS:地球最早的大陆何时开始高出海平面
2021-12-28 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  大陆地壳的浮现(即大陆地壳抬升至海平面之上)对地球大气圈-水圈的化学性质和气候的长期变化造成剧烈影响。大量证据表明,大陆地壳在2.5 Ga之前就已经抬升至海平面之上 (Bindeman et al., 2018; Kump and Barley, 2007),如克拉通盖层广泛发育有2.7 Ga之前的古土壤和陆相沉积物,沉积物中的碎屑锆石从2.8 Ga开始呈现更为多样的年龄组成。此外,一般认为太古宙大陆的浮现是俯冲-碰撞过程通过岩浆作用和挤压变形形成加厚的陆壳所致。然而,板块构造在太古宙是否普遍存在仍存争议。因此大陆地壳抬升至海平面的确切时间和机制仍存较大争议。 

  印度Singhbhum克拉通以典型的穹隆-龙骨构造为特征,记录有长期的(3.53~3.1 Ga)岩浆过程,克拉通内部缺乏较年轻的构造活动,这为研究大陆地壳增厚、成熟和浮现的演化过程提供了一个详细而原始的记录。澳大利亚莫纳什大学Priyadarshi Chowdhury博士等对保存在印度Singhbhum克拉通的古-中太古代花岗岩类岩浆活动和沉积记录进行了研究。他们认为Singhbhum克拉通盖层可能沉积于3.08-2.94 Ga。考虑到此时普遍发育的陆相-浅海相沉积环境、富石英成分、碎屑锆石和古土壤证据,他们认为Singhbhum克拉通在3.08 Ga-2.94 Ga期间已部分高出海平面。 

  Singhbhum克拉通广泛发育的TTG进行模拟计算可知,这些TTG可能形成自洋底高原基底的部分熔融。而地球化学模拟和La/Yb变化趋势均表明,TTG的形成压力在3.5-3.24 Ga 时期从0.9 GPa增加到1.2 GPa,对应于克拉通厚度从32 km增加到45 km。因而Singhbhum克拉通的TTG片麻岩记录了3.5-3.24 Ga之间地壳的逐步增厚和成熟过程。而在3.2 Ga之后,TTG向钾质花岗岩的转变则反映了熔体源区的变化,这一变化与克拉通抬升至海平面前所形成的巨厚长英质的大陆地壳一致。此外,与这些长英质岩浆活动相伴随的构造热事件则以穹隆-龙骨构造为特征,可能表明垂向构造体制在克拉通形成过程中的主导作用。综合这些证据,他们认为Singhbhum克拉通的加厚是由3.5-3.2 Ga巨量TTG的侵位造成,而与水平挤压引起的构造加厚无关。 

1 微量元素地球化学模拟(B)La/Yb变化规律(C)均指示Singhbhum克拉通逐渐增厚Chowdhury et al., 2021

  进一步的均衡计算也证实了Singhbum克拉通地壳的增厚与其浮出海平面之间的联系。均衡计算结果表明,在3.5Ga3.1Ga这四亿年间,克拉通相对于海床的高度增加了约3.7km。考虑到3.2-3.0 Ga的海平面相要比现今的海平面(深度为3.7 km)高0.73-1 km (Rosas and Korenaga, 2021),因而在3.5-3.1 Ga时期,海平面深度可达4.4-4.7 km。计算结果表明,如果海平面深度为4.4 km, Singhbum克拉通将会在3.1 Ga浮出海平面。但如果海水深度在4.7 km,那么克拉通仍位于水下。但地质证据证实Singhbhum克拉通在3.29-3.08 Ga之间已经出现了陆相地层,表明海水深度并未达到4.7 km 

2 均衡计算和地质证据都表明Singhbhum克拉通在3.1Ga之前就已经抬升至海平面之上Chowdhury et al., 2021

  类似的演化过程同样也存在于其他的古老克拉通,如Pilbara, Yilgarn, Slave, DharwarKaapvaal等克拉通同样也发育有大量中太古代的陆相-浅海相沉积地层,可能也记录了3 Ga左右的大陆浮现过程。尽管一些克拉通发育有2.9-2.8 Ga的造山带,但是这些造山带明显发育在地壳加厚-成熟-浮现过程之后,说明板块构造在这些克拉通的抬升过程中并不必要。他们进一步推测,早期克拉通的浮现可能也诱发了太古宙地球局部短暂出现的大气-海洋的氧化事件。 

3 -中太古代地壳演化过程示意图(Chowdhury et al., 2021)。在3.6Ga,地幔上涌发生熔融形成镁铁质的初始地壳;3.55-3.25Ga,镁铁质初始地壳逐渐加厚并熔融产生TTG,促进地壳进一步向长英质方向演化;3.2-3.1Ga长英质地壳低压熔融形成钾质花岗岩,标志着克拉通的稳定,同时大陆抬升至海平面之上;3.1-2.9Ga,陆相-海相沉积物大量出现

  主要参考文献

  Bindeman I N, Zakharov D O, Palandri J, et al. Rapid emergence of subaerial landmasses and onset of a modern hydrologic cycle 2.5 billion years ago[J]. Nature, 2018, 557(7706): 545-548. 

  Chowdhury P, Chakraborty S, Gerya T V. Time can tell: Secular change in metamorphic timescales and the tectonic implications[J]. Gondwana Research, 2021, 93: 291-310. 

  Chowdhury P, Mulder J A, Cawood P A, et al. Magmatic thickening of crust in non–plate tectonic settings initiated the subaerial rise of Earth’s first continents 3.3 to 3.2 billion years ago[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(46): e2105746118.原文链接

  Kump L R, Barley M E. Increased subaerial volcanism and the rise of atmospheric oxygen 2.5 billion years ago[J]. Nature, 2007, 448(7157): 1033-1036. 

  Rosas J C, Korenaga J. Archaean seafloors shallowed with age due to radiogenic heating in the mantle[J]. Nature Geoscience, 2021, 14(1): 51-56. 

  (撰稿:刘鹏/岩石圈)

 
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