近日，我校湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站和全球大地构造中心黄波特任副研究员、蒂姆·科斯基教授，与澳大利亚科廷大学、加拿大温莎大学等单位学者合作，在国际著名综合性期刊《自然通讯》（Nature Communications）上发表学术论文，题为“共存的离散和汇聚板块边界岩石组合指示了新太古代板块构造”（Coexisting divergent and convergent plate boundary assemblages indicate plate tectonics in the Neoarchean），报道了关于25亿年前板块构造运行特征和样式等方面的最新研究成果。黄波特任副研究员为第一作者，黄波和蒂姆·科斯基教授为共同通讯作者。
地球是人类赖以生存的家园，也是目前已知唯一具有长英质大陆地壳和板块构造的星球。板块构造促进了地球深部和地表圈层的相互作用，从根本上塑造了地球环境和宜居性。然而，板块构造出现时间及其样式如何随着地幔逐渐冷却而演变，是固体地球科学领域长期存在争议的前沿和热点科学问题之一。关于板块构造何时成为地球热散失的主要动力学模式，包括冥古宙（40亿年前）到新元古代-早寒武世（~5-10亿年前）等不同学术观点。回答此问题的关键是准确认识板块构造的根本特征，即刚性岩石圈板块沿着离散（扩张脊）和汇聚（俯冲带）板块边界生成和破坏，并产生相对运动（图1）。
在地质历史时期，板块离散和汇聚过程可通过古老造山带的特征性岩石-构造组合记录下来，如被动大陆边缘沉积序列、洋中脊型洋壳残片、俯冲带上盘型岩浆岩、增生杂岩、低T/P-高T/P变质岩（双变质带）和弧前/前陆盆地沉积等，它们通常时空相伴保存于造山带，并形成显著的岩石构造分带（图1）。识别可以指示不同板块边界端元的岩石构造组合，并详细刻画这些板块边界在地球历史中可能发生的变化，是探索了解地球动力学演化和板块构造发展的重要研究途径之一。
图1 现代板块构造体制下洋底扩张和板块汇聚过程示意图
新太古代到古元古代（28–16亿年）是地球历史上最具变化性的时期之一（图2），见证了全球性的克拉通化、大量陆地浮出地表以及大气中氧气量增加（古元古代大氧化事件，GOE）。这段时间也被认为是全球范围内某种样式的板块构造形成的关键时期，导致了超大陆旋回的开始。然而，目前在太古宙岩石记录中很少发现能够指示板块侧向运动的时空相伴的离散和汇聚板块边界岩石组合和造山带分带，这加剧了太古宙是否存在板块构造的争论。此外，如果太古宙晚期存在板块构造，那么其样式（尤其是俯冲带热状态和规模）及其对地球表层环境的影响等关键科学问题也有待深入研究和探寻。
图2 地质历史时期地球岩石圈及水圈、大气圈、生物圈部分关键指标长期变化
针对上述科学问题，研究人员对华北克拉通南缘太古宙晚期（25.5–25.1亿年前）安沟杂岩开展了详细野外调查、岩石学、地球化学、同位素年代学和热力学-微量元素模拟等综合研究，识别出具有时空关联的大洋中脊-被动陆缘和俯冲带上盘岛弧/弧前岩石构造单元，提出这些岩石组合分别形成于离散和汇聚板块边界，并在增生-碰撞造山过程中构造叠置。太古宙末期时空相伴的离散和汇聚板块边界岩石组合的识别，表明此时存在海底扩张、俯冲起始、俯冲增生、岛弧岩浆作用和弧陆碰撞等板块相对运动过程，为板块构造已经启动提供了新的地质证据。
研究人员进一步根据地球化学特征和热力学-微量元素正演模拟提出该地区英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩组合（TTG）和埃达克质火山岩形成于俯冲板片部分熔融及随后的分离结晶；模拟计算显示该俯冲带拥有较高的地热梯度（~440–470 °C/GPa），其与显生宙暖（热）俯冲带一致（图3）。通过太古宙末期和显生宙俯冲带和造山带样式对比，认为太古宙末期的板块构造过程与显生宙已具有一定的相似性；而以冷-深俯冲碰撞和全球性内部相连板块边界为特征的“现代样式”板块构造体制可能直到古元古代中晚期（22-19亿年前）才完全建立。
图3 相图显示俯冲带地热梯度（左）及构造模式示意图（右）
最后，研究人员提出一个概念模型阐述新太古代广泛发育的板块构造过程可能对太古宙-元古宙之交（25亿年前）及随后岩石圈、海洋、大气圈和生物圈演化产生的深刻影响（图2和图4）。以洋底扩张、洋壳俯冲和弧陆碰撞等为特征的离散和汇聚板块边界地质过程促进了这一时期地幔热散失、大陆地壳垂向和侧向生长、陆壳浮出水面、BIF成矿、弧陆碰撞造山作用、陆壳风化剥蚀和二氧化碳消耗、海洋营养输入和初级生产力增加、地球增氧（GOE）和第一次雪球地球形成等重大地质、成矿和环境演变过程。该模型为理解特殊地质历史时期的板块边界过程及其资源环境效应提供了新的思路。
图4 太古宙-元古宙之交板块构造过程对地球固体圈层和表生圈层影响的概念模型
该研究获得国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国地质大学（武汉）杰出人才培育基金和地质过程与矿产资源国家重点实验室开放基金等支持。
论文信息：Huang, B.*, Johnson, T.E., Wilde, S.A., Polat, A., Fu, D., Kusky, T.*, 2022. Coexisting divergent and convergent plate boundary assemblages indicate plate tectonics in the Neoarchean. Nature Communications, 13, 6450.
论文全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34214-8;Researchgate.
