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邹屹等-EPSL:元古宙中期大陆边缘的热弱化制约着表生演化
2024-01-21 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

大陆地壳是孕育生命的港湾,了解大陆地壳的演化对认识地球宜居性具有重要意义。现今地球的复杂生物系统以及富氧的环境并非一蹴而就。学术界普遍认同,真核细胞在21‒16亿年前甚至更早就已经出现,但是在元古宙中期(18.5‒8.5亿年)这10亿年间生命的进化似乎踩住了刹车,直到9‒8亿年前大型多细胞复杂生物才开始爆发。与此同步的是,地球大气圈在23‒22亿年前经历第一次大氧化之后,氧气的浓度并没有在元古宙中期持续升高,而是维持总体较低的大气氧含量,直到新元古代之后(约8.5亿年)才总体增氧至约现今值(e.g., Wang et al., 2022)。

关于元古宙中期萧条的表生演化,有研究认为,当时海洋的生物营养元素尤其是N、P等供应不足,导致海洋微生物产氧等初级生产力受到抑制。由于大陆地壳的风化剥蚀是营养元素N、P最主要的来源,而大陆地壳的风化剥蚀又很大程度受控于板块边缘的构造样式,因此元古宙中期的表生演化被不同程度的联系到元古宙中期的构造样式,提出了四种不同的认识:(1)停滞盖层构造(Roberts, 2013); (2)造山静寂期(Tang et al., 2021); (3)热造山(Spencer et al., 2021); (4)造山带长度短(Sobolev and Brown, 2019)。那么,元古宙中期构造样式究竟是怎么样,又该如何刻画?

板块边缘的变质作用记录着岩石的埋藏、升温、抬升、冷却历史,可以直观地反映板块边缘的动力学性质,是解决上述问题的关键钥匙。为此,在翟明国研究员的领导下,新京葡萄最新官网邹屹副研究员联合本所赵磊副研究员、Ross Mitchell研究员、李秋立研究员、蒋济莲博士生、多伦多大学初旭教授、马里兰大学Michael Brown教授,首次完整地统计了全球自太古宙以来板块边缘的变质抬升-冷却速率,并刻画了这些数据的古地理空间和时间分布(图1和图2)。

图 1 超大陆Columbia形成以来造山带变质抬升-冷却速率的古地理空间分布;数据点的颜色表示变质作用的T/P类型;超大陆重建参考Li et al. (2019)和Liu et al. (2022)

图2 太古宙以来造山带变质抬升-冷却速率的时间分布

为了量化变质作用随时间的演化,研究还结合Brown et al. (2022)的变质T/P比值、峰期压力P数据库,并采用三种数理统计方法:(1)结合蒙特卡洛分析的自举重采样(bootstrapped resampling)计算移动均值曲线,并传导每个数据点的误差;(2)基于计算成本算法的变化点分析(change point detection);(3)双样本t检验、秩和检验。结果表明,元古宙中期变质抬升-冷却速率比前后时代更缓慢,并对应于较高的变质T/P比值和降低的变质峰期压力 (图3a-图3b),这揭示出元古宙中期至少大陆边缘变热、强度降低、应力分散,形成的是低矮、热的造山带;8.5亿年之后,变质抬升-冷却速率大幅度加快,并对应于变质T/P比值的降低和峰期压力的整体升高,这显示出新元古代之后大陆边缘变冷、强度增加、应力更集中,形成更加高耸的造山带,时间点对应于以深俯冲为代表的现代板块构造的全面建立(Brown et al., 2022)。

元古宙中期大陆边缘强度弱、应力分散、以及形成的低矮造山带和深部岩石的缓慢抬升会使得大陆地壳的风化剥蚀速率降低,反映在海水Sr同位素在此期间是长期的低峰(图3c)。因此生物营养元素N、P等向海洋的输送不足,导致海洋藻类产氧受限、初级生产力降低、最终制约着元古宙中期海洋生物的进化;8.5亿年之后,板块边缘应力更集中,以及形成的高耸造山带和深部岩石的快速抬升会使得大陆地壳的风化剥蚀速率加快,使得海水Sr同位素在8.5亿年左右有个大幅度升高(图3c)。因此,8.5亿年之后,生物营养元素向海洋的输送充足。这些过程会导致海洋藻类产氧增加,并有快速有机碳埋藏,最终有利于新元古代大氧化的到来和之后更复杂生命的出现(图3d)。

图3 (a) 造山带变质抬升-冷却速率和 (b) 变质T/P比值和峰期压力P随时代的变化; (c)黑色页岩U和Mo含量随时代的变化(Partin et al., 2013; Scott et al., 2008),以及海水Sr同位素曲线演化(Chen et al., 2022);(d)大气氧气浓度随时间的演变(Lyons et al., 2014)以及生物的演化时间节点(Cohen et al., 2017)

该研究从变质作用的角度将大陆地壳的演化与表生系统演变相联系,成果发表于国际地学期刊EPSL(邹屹、Ross N. Mitchell、初旭、Michael Brown、蒋济莲、李秋立、赵磊、翟明国. Surface evolution during the mid-Proterozoic stalled by mantle warming under Columbia–Rodinia[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2023, 607: 118055. DOI: 10.1016/j.epsl.2023.118055)。研究得到国家自然科学基金项目(41890834、42250202、42002211、41888101 和42220104008)的资助。

 
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