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Nature: 太古代单颗粒锆石古地磁场强度结果约束地球早期板块运动
2023-07-17 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球是太阳系中已知唯一的现今仍存在板块构造运动的行星,这一独特的属性被认为与生命的孕育与演化息息相关。然而,板块构造启动的具体时间目前仍不清楚,不同学者提出的可能的时间跨度可从冥古宙持续到元古宙。如果可以获得不同年代的板块位置信息并进一步推断它们的运动学特征,我们就可以尝试解决这一问题。 

  地磁场被认为是由地核的发电机过程产生,而古地磁场信息可以记录在各类岩石中。从岩石中提取出的磁场方向信息可以帮助我们得到岩石形成时的古纬度,进而恢复不同板块的位置。科学家们凭借这一手段,获得了许多板块的古地理位置,并在一系列问题上取得了突破性认识(如超大陆旋回等)。但是这一方法应用于古老岩石时,尤其是显生宙之前的岩石,往往会遇到阻碍。由于各类地质事件的改造作用,古老岩石中记录的原生剩磁时常被后期磁场信号叠加甚至重置,这就导致我们很难得到地球早期的磁场方向以及板块位置信息。恢复古老岩石的古地磁场强度也存在相似的问题:理想情况下,当岩石中的铁磁性矿物从居里温度逐步冷却时会获得一个与当时磁场强度成正比的剩磁。通过在实验室再次加热样品,并使之在已知的磁场中冷却并获得剩磁后,通过计算天然剩磁与实验室获得剩磁的比例系数并乘以实验时的磁场强度,我们就可以得到古地磁场的强度。但是古老岩石的后期改造作用也同样使得恢复地球早期的古磁场强度非常困难。 

  为此美国罗切斯特大学的John Tarduno教授团队开发出了一套针对单颗粒矿物的古强度实验方法(Tarduno et al., 2015; Tarduno et al., 2010)。这种方法通过将岩石中的单颗粒矿物(如锆石和斜长石)进行分选,从而得到一些包裹有铁磁性颗粒(如图1)的单晶,而这些铁磁性颗粒具有良好的载磁能力,并且在单晶的保护下能够保存稳定的原始磁信号。用这些单矿物开展古强度实验,可以恢复出古老岩石的古磁场强度信息。Tarduno教授团队利用这种方法对南非Kaapvaal克拉通的太古代Barberton Green SandstoneBGS)进行了采样工作,并挑选出其中的碎屑锆石进行了单颗粒古强度实验、微观结构和成分分析以及锆石U-Pb年代学工作。他们的研究结果显示,这些形成于~3.9-3.3 Ga的碎屑锆石中的细颗粒磁铁矿(图1)可以记录稳定的剩磁,并保留了锆石形成时的原始磁信号(图2)。研究样品所恢复的古地磁场强度的平均值在该时期基本保持稳定,都在10 μT左右。结合该团队之前对澳大利亚Jack HillsJH)锆石的古强度研究结果,该团队发现在~3.9-3.4 Ga的时段内,这两个不同板块得到的古地磁场强度均较为稳定且非常一致(图3)。古地磁的一个基本假设是地磁场分布符合地心轴向偶极模型,在该模型下地磁场强度随纬度分布呈现赤道弱,向两极逐渐增强的特征。数值模拟结果显示内核结晶之前的地球磁场也以偶极子场为主导(Driscoll, 2016),那么不同古纬度的磁场强度就会有所差别。因此,如果不考虑地磁场本身长期变的影响,某板块如果存在纬向运动,其岩石记录的地磁场强度也会发生变化,反之如果在很长一段时间内某板块的磁场强度没有明显变化,就意味着该板块的古纬度也相对保持稳定。因此Tarduno教授团队获得的~3.9-3.4 Ga南非和澳大利亚两个板块一致且稳定的古地磁场强度结果,不仅意味着二者均记录到了全球性的发电机磁场,还表明它们很可能长期处于相同的古纬度。 

1 BGS中分选出的碎屑锆石以及其中的含铁包裹体。(a)野外照片,比例尺为5cm;(b-c300μm厚的BGS薄片,比例尺为1mm,箭头指示的是一颗碎屑锆石;(d-e)反光镜下碎屑锆石照片;(f)白框标记位置的能谱;(g-mSEM照片及标记位置的能谱(Tarduno et al., 2023)

2 BGS中单颗粒锆石的热退磁结果、古强度结果以及SHRIMP定年结果。(a)逐步热退磁的Z氏图,指示剩磁方向;(b)热退磁谱;(c-k)锆石定年结果以及古强度结果(Tarduno et al., 2023)

3 古磁场强度随时间演化图。粉红色线及蓝色框为对近800 ka以来的古强度数据通过拔靴法(bootstrap)获得的在BGS纬度的平均磁场强度及其标准差;黑色虚线为新太古代的古强度数据平均值;紫色实线标注的“LHB”代表晚期重轰炸事件(Late Heavy Bombardment)可能的持续时间。黄色、绿色以及灰色的数据点表示JHBGS以及其它地区的单矿物古强度数据;黄色及绿色虚线为100百万年滑动平均的结果(Tarduno et al., 2023)

  作者进一步通过获得的古磁场强度结果讨论地球早期板块运动,认为在古太古代之前地球整体处于“停滞盖(stagnant-lid)”阶段,没有类似现今的板块运动。为了验证这一观点,该团队利用600 Ma以来的板块重建信息,通过模拟计算判断现代的板块构造运动形式是否能产生与BGSJH相似的古强度变化特征。在考虑了古强度结果误差以及不同纬向运动方向的情况下,他们发现600 Ma以来的板块运动规律不能解释BGSJH长期稳定的强度结果(图4)。已有研究结果显示,地质历史上所有板块运动基本都伴随有大幅度的纬向运动,以经向运动为主的情况非常少见,因此,作者认为BGSJH的一致且长期稳定的古强度数据说明这两个板块在长达~5亿年的时间内处于相同纬度,并据此推测当时不存在类似现代的全球性的板块构造运动。如果此时地球已经存有生命,那么它们在“停滞盖”阶段已经开始发展演化,说明现代模式的板块运动在生命起源的早期可能并不是必要条件。地球早期不存在大幅度的快速板块运动导致的全球气候剧烈变化,这为早期生命的存续和演化提供了相对稳定的生存环境。 

4 使用近600 Ma以来的板块数据模拟的板块运动结果。模拟的两个板块均位于BGS形成时的古纬度。(a)蓝色板块向北移动,蓝色正方形表示最大纬向运动的中位数;(b)红色板块向南移动,红色正方形表示最大纬向运动的中位数;(c)古强度与纬度的关系;(d)古强度与时间的关系,紫色区域为BGSJH得到的古强度标准差范围,红色与蓝色圆圈表示两个模拟板块的“古强度”与BGSJH数据产生明显差异时的纬度;(e-f)两个模拟板块的相对纬度差异及最大纬向运动的关系,fe的放大图,虚线为JHBGS数据限定的最大相对距离及纬向运动,这表明现代板块构造几乎无法形成符合当时古强度数据的结果(Tarduno et al., 2023)    

  主要参考文献 

  Tarduno J A, Cottrell R D, Bono R K, et al. Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism[J]. Nature, 2023, 618(7965): 531-536.原文链接 

  Driscoll P E. Simulating 2 Ga of geodynamo history[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(11): 5680-5687.. 

  Tarduno J A, Cottrell R D, Davis W J, et al. A Hadean to Paleoarchean geodynamo recorded by single zircon crystals[J]. Science, 2015, 349(6247): 521-524. 

  Tarduno J A, Cottrell R D, Watkeys M K, et al. Geodynamo, solar wind, and magnetopause 3.4 to 3.45 billion years ago[J]. Science, 2010, 327(5970): 1238-1240.  

  (供稿:祁锴贤,蔡书慧/岩石圈室) 

 
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