科创中国

        近日，中科院海洋所深海中心孙卫东课题组联合澳大利亚科廷大学、西澳大利亚地质调查局，在地质历史时期地幔热状态演化与板块构造样式转变的研究上取得了新进展，相关研究成果发表在地学Nature Index期刊Earth and Planetary Science Letters。 

　　板块构造在何时开始、之后如何演化、以及何时转变为现代样式的板块构造，是研究宜居地球形成和演化的关键问题之一。其中，地幔温度是控制岩石圈物理化学性质和构造活动的首要因素。在太古宙时期，上地幔温度比今天高出约200 °C，但是在漫长的地质历史时期中，上地幔温度的下降始终被认为是一个渐变过程。 

　　陆内玄武岩是软流圈地幔减压熔融的产物，其地球化学成分记录着岩浆形成时的温度和压力条件，能够反映软流圈地幔的热状态。在地幔熔融压力相对稳定的情况下，地幔潜在温度(TP, mantle potential temperature, 指对流地幔沿着绝热梯度线延伸到地表的温度)直接控制着软流圈地幔的部分熔融程度，地幔潜在温度降低会导致部分熔融程度降低。研究人员根据pMELTS模拟地幔熔融过程，发现玄武岩的碱性指数AI [=全岩(Na2O + K2O)2/(SiO2 – 35), wt%]可以用来指示地幔部分熔融的程度以及温度压力条件。在特定的熔融压力下，随着地幔潜在温度的降低，部分熔融程度降低，熔体的AI值升高。基于以上认识，作者从EarthChem数据库中收集并整理了全球陆内玄武岩的地球化学数据，利用统计学方法计算出近10亿年来全球陆内玄武岩平均AI值随时间的演化(图1A)，结果显示其在成冰纪-埃迪卡拉纪时期(7.2-5.4亿年前)发生了明显的升高，全球陆内玄武岩的平均Na2O和K2O含量的变化也呈现一致的变化规律(图1B)。 

图1 全球陆内玄武岩地球化学成分的变化 

　　虽然陆内玄武岩的平均AI值不能直接换算为地幔潜在温度的绝对数值，但是能够指示地质历史时期地幔潜在温度的相对变化。因此，可进一步利用前人对地幔潜在温度的测定结果与全球陆内玄武岩的平均AI值进行拟合，模拟了近10亿年来地幔潜在温度随时间的变化规律(图2A)。结果显示在成冰纪之前(10-7.2亿年前)地幔潜在温度基本保持稳定，反映了地球中年时期(Earth's middle age)板块构造活动的减弱和造山作用的沉寂。但在成冰纪-埃迪卡拉纪时期(7.2-5.4亿年前)地幔潜在温度迅速下降了约50 ℃；而后在显生宙时期(5.4亿年前至今)，地幔潜在温度逐渐下降。本研究发现的新元古代晚期地幔降温事件与Condie等 (2016)获得的亏损地幔岩浆生成温度(Tg, magma generation temperature)的演化历史相一致(图2B)。这次地幔降温事件的发生与前人根据低T/P变质岩石记录(图2C)所定义的现代板块构造开始的时代高度重合，反映了现代板块构造的启动可能是造成地幔潜在温度快速下降的重要原因。成冰纪及埃迪卡拉纪初期，雪球地球的融化导致大量的沉积物堆积在海沟，对板块俯冲可能起到了润滑作用，加快了板块俯冲的速率。在现代板块构造体制下，大量冷的大洋岩石圈俯冲进入地幔，从而造成了地幔潜在温度的快速降低。 

图2 地幔热状态的演化历史 

　　论文第一作者为海洋所博士研究生陈茜，通讯作者为刘鹤研究员。研究得到国家自然科学基金(42073011)和中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室开放基金(GPMR201903)联合资助。 

来源  中科院海洋所