全球大陆碰撞的出现与大规模地壳榴辉岩化的开始

学术背景

地球的地壳演化与板块构造的演变密切相关，尤其是大陆地壳的组成变化为理解板块构造的演化提供了关键证据。然而，关于下地壳的组成变化，尤其是从元古代到显生宙的过渡时期，仍然存在许多不确定性。元古代和显生宙的地壳组成差异，特别是下地壳的镁铁质地壳层的保存与消失，是理解板块构造演化的关键问题之一。本文通过分析全球29条造山带的地震剖面数据，揭示了元古代与显生宙地壳组成的显著差异，并提出了全球大陆碰撞和榴辉岩化（eclogitization）的开始是这一变化的主要原因。

论文来源

本文由Bing Xia（中国地质大学）、Irina M. Artemieva（中国地质科学院、德国GEOMAR海洋研究中心）和Hans Thybo（中国地质科学院、土耳其伊斯坦布尔技术大学）共同撰写。论文于2024年10月18日在线发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/G52647.1。

研究流程与结果

1. 数据收集与处理

研究团队对全球29条造山带的地震折射/广角反射剖面进行了数字化处理，总计超过18,000公里。这些剖面每10公里进行一次采样，以确保数据的全面性和准确性。研究团队还排除了质量较差的地震模型，以确保数据的可靠性。

2. 地壳速度结构分析

通过分析地震P波速度（Vp）结构，研究团队将地壳的组成与Vp值联系起来。实验数据表明，Vp值在6.8至7.4 km/s之间的地壳层通常为镁铁质地壳层（SiO2含量在44%至53%之间）。研究团队发现，元古代造山带普遍保留了较厚的镁铁质下地壳层，而显生宙造山带则几乎不存在这一层。

3. 地壳组成的变化

研究团队发现，元古代造山带的下地壳厚度占整个地壳的26%至42%，而显生宙造山带的下地壳厚度则显著减少，仅占7%以下。这一变化表明，显生宙地壳的SiO2含量显著增加，地壳整体变得更加长英质（felsic）。研究团队认为，这一变化是由于显生宙时期全球范围内的大规模榴辉岩化导致的。

4. 榴辉岩化的作用

榴辉岩（eclogite）是一种在高压低温条件下形成的岩石，其密度通常高于地幔橄榄岩。研究团队提出，显生宙时期的大陆碰撞和俯冲导致了大规模的下地壳榴辉岩化，进而引发了高密度榴辉岩体的剥离或滴落（delamination or dripping），最终导致镁铁质地壳层的大规模回收进入地幔。这一过程使得地壳整体密度降低，大陆地壳上升，形成了大面积的大陆区域。

5. 板块构造的现代模式

研究团队认为，榴辉岩的形成和剥离是板块构造现代模式的关键驱动因素。榴辉岩的形成增加了大陆板块的下拉力，直到高密度物质被移除，形成了反馈机制。这一过程不仅改变了地壳的组成，还促进了大陆的上升和大面积陆地的出现，进而引发了新元古代氧化事件和显生宙生命的爆发。

结论与意义

本文通过全球地震剖面数据的分析，揭示了元古代与显生宙地壳组成的显著差异，并提出了全球大陆碰撞和榴辉岩化的开始是这一变化的主要原因。这一研究不仅为理解板块构造的演化提供了新的证据，还为地球历史上大陆的形成和生命的爆发提供了新的解释。

研究的亮点

1. 全球范围的数据分析：研究团队对全球29条造山带的地震剖面进行了系统分析，数据覆盖面广，结果具有较高的可靠性。
2. 榴辉岩化的关键作用：研究首次提出了榴辉岩化在显生宙地壳组成变化中的关键作用，为理解板块构造的现代模式提供了新的视角。
3. 地壳组成与生命演化的联系：研究揭示了地壳组成变化与地球历史上大陆形成、氧化事件和生命爆发之间的密切联系，具有重要的科学意义。

其他有价值的信息

研究团队还指出，榴辉岩的形成和剥离不仅改变了地壳的组成，还影响了地幔的密度结构。显生宙造山带的地幔密度显著高于元古代造山带，这一变化可能与榴辉岩的残留有关。此外，研究团队还提出了榴辉岩化过程的快速性，认为短期的快速构造事件可能促进了榴辉岩的形成和剥离。

本文通过全球地震数据的系统分析，揭示了元古代与显生宙地壳组成的显著差异，并提出了榴辉岩化在板块构造现代模式中的关键作用。这一研究为理解地球历史上大陆的形成和生命的演化提供了新的视角，具有重要的科学价值。