变质之谜

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刘大为译 王铭晗审

地球表面被分成十几个刚性的构造板块。这些板块的运动和向下俯冲进入地幔几乎控制了所有的地质过程,如地震、造山运动,甚至大气成分。

然而,目前还不清楚,板块构造运动是从何时开始的。现在,由俯冲所形成的蓝片岩相变质岩——通常被认为是板块构造的标志。这些岩石只发现于约8亿年前,并且在此之前不存在这些岩石,这可以作为反驳早期地球上存在板块构造的证据。

在本期《自然地学》杂志上,Palin 和White 应用热动力学计算发现,古板块构造一开始时并不能形成蓝片岩相岩石。

对于显生宙时期(最早5.4 亿年前)的板块构造有足够的证据,但在显生宙之前的板块构造却证据不足。

板块构造的性质意味着很难找到它开始的证据。板块在俯冲带消失在地幔中,并与大洋中脊处的新生板块保持质量平衡。因此,板块构造在百万年尺度上不断地更新地球表面,并将其过去运动的痕迹抹去。

因而,我们必须依靠板块构造的一些难以察觉的副产物,这些副产物有可能在漂浮大陆上保留下来。

这样的副产物包括今天已抬升且暴露在大陆上面的古洋壳碎片,以及两个大陆碰撞时所形成的造山带;推测在俯冲以后,其间曾存在的洋底发生了消减。许多这些板块构造的副产物可以追溯到30 亿年前。还有一个观点是基于古锆石的矿物化学特征,这样得出的板块构造开始的时间更早,约为40亿年前。

缺乏古代蓝片岩相变质岩,这样的观察结果似乎与板块构造开始时间更早的观点不一致。蓝片岩相岩石的名称来源于其组成成分以蓝色矿物蓝闪石为主。组成洋壳的玄武质岩石在深15千米左右的俯冲带中,遭受高压低温影响,就形成了蓝片岩(图1)。当构造板块碰撞形成造山带时,这些变质岩将可能快速折返回地球表面。虽然,在年代早于8 亿年的造山带中缺乏蓝片岩并不一定说明就没有板块构造,但这却引出了新的问题,即为什么一些在最近的地质历史中很容易折返的岩石在地质历史的早期却未能折返。
图1 蓝片岩的形成与折返示意图
图1 蓝片岩的形成与折返示意图

a)蓝片岩相变质作用发生在现代洋壳俯冲到深15 千米时;b、c)一些蓝片岩在板片回卷和俯冲板片脱
落时(b)分离并向上迁移,然后在板块碰撞期间(c)通过剥蚀作用进一步返回地表并暴露出来。

Palin和White 应用热力学计算表明,蓝片岩相变质作用不会发生在富镁质的洋壳中,而富镁质的洋壳是更年轻、
更温暖地球的特征。
Palin 和White 从一个前人未注意的角度着手解决了蓝片岩的难题。因为地幔随着时间的冷却速度约为100℃ /10 亿年。与当今的洋壳相比,过去的地幔更热,应该会生成一个更厚且更加富含镁质的洋壳。

Palin 和White 应用热力学计算发现,高镁质地壳发生变质作用不太可能生成含有蓝闪石的矿物组合。这也难怪,之所以我们不能在古造山带中找到蓝片岩,是因为古造山带形成时的地球比现在热得多——故而我们可能一直在寻找根本就不可能存在的岩石。

为了在地表保存蓝片岩,岩石必须快速回到地球表面,且不能经历任何进一步的变质作用。鉴于曾经俯冲的物质再度暴露在地表,其经历的过程十分复杂,故蓝片岩的缺失并不能完全排除以下可能,即蓝片岩确实在年轻的地球上形成过,只是没有折返而已。不过,Palin 和White 的计算也表明,古代洋壳的变质产物中尽管没有出现蓝片岩,但仍可以通过其矿物化学特征来鉴定,所以未来的野外研究最终将验证他们这一推断。

Palin 和White 还指出,富镁质地壳的变质作用可能比现今地球向地幔中带入了更多的水,尽管这一预测也与传统的观点相背。因为表层海水的俯冲将减少海洋的体积,并降低对流地幔的粘度。所以,新的热力学计算对地表环境的协同演化和地球内部动力学研究将带来深远的影响。

Palin 和White 的研究强调了了解地球的长期演化的重要性,以及采用第一性原理计算的优点。行星地球的内部状态一直在逐渐变化,这是由产热元素的放射性衰变所引起的必然结果,所以我们需要对感兴趣的特定现象所存在的全球背景有一个清晰的认识。这种长期演化不仅包括地球内部温度,还涉及一些其他变量,比如化学成分和材料强度。当我们把对现在过程的认识往前推到过去时,依据基础物理和化学的方法可能比经验方法更重要。

Jun Korenaga. Metamorphic myth. Nature Geoscience, 2016, 9: 9-10.

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