地球是太陽系所有類型行星中唯一具有活動的板塊構(gòu)造、以及由玄武質(zhì)洋殼和長英質(zhì)陸殼構(gòu)成的洋-陸二元格局的星球。也正是出現(xiàn)了其它類型行星所不具備的板塊構(gòu)造和正海拔的長英質(zhì)陸殼，讓地球得以在巖石圈的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)水圈、大氣圈，孕育生命形成生物圈并最終演化出今天主宰地球的人類。因此在探討地球的多圈層相互作用以及宜居星球演化的問題上，板塊構(gòu)造與長英質(zhì)陸殼二者之間必然存在著某種內(nèi)在聯(lián)系。爭論的焦點之一就是二者誰先在地球上出現(xiàn)。
支持大陸起源于板塊構(gòu)造的觀點如下：板塊構(gòu)造出現(xiàn)在長英質(zhì)大陸殼形成之前，很可能在冥古宙（Hadean）或始太古代（Eoarchean）就已啟動，而長英質(zhì)大陸則是在板塊構(gòu)造體制下的島弧基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。相反，支持大陸起源于非板塊構(gòu)造的學者們認為：長英質(zhì)大陸在板塊構(gòu)造啟動之前就已經(jīng)形成，是地幔柱（Mantle Plumes）作用的產(chǎn)物，而正是因為密度較輕的長英質(zhì)大陸的存在，才誘發(fā)密度較大的大洋巖石圈向密度較小的大陸巖石圈下面俯沖，板塊構(gòu)造才得以啟動。無論哪一種模式，目前學術(shù)界較為一致看法是克拉通中的TTG起源于含水的鐵鎂質(zhì)地殼的部分熔融。因此，長英質(zhì)大陸或起源于板塊構(gòu)造體制下的島弧，或起源于地幔柱體制下的洋底高原。目前，古老大陸究竟是起源于島弧還是洋底高原已成為地球科學領(lǐng)域研究的重中之重，是發(fā)展和完善板塊構(gòu)造理論和建立前（非）板塊構(gòu)造理論一個重要窗口。
近日，趙國春與張國偉兩位院士共同在《地質(zhì)學報》撰文，針對前述的大陸地殼起源的兩種構(gòu)造模式進行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出大陸起源于地幔柱洋底高原的二階段新模式。
圖 1：全球主要克拉通的空間分布
說到大陸地殼的起源，就要研究地球上保存最為古老的陸殼，而克拉通很好的保存了這些古老的地殼物質(zhì)，其指代長期穩(wěn)定的巖石圈（穩(wěn)定時間 > 1.0 Ga）。截至目前，除在加拿大出露的冥古宙4.0 Ga的Acasta長英質(zhì)片麻巖外，大規(guī)模的長英質(zhì)陸殼基本形成于太古宙，且其中絕大部分形成于3.2-2.5 Ga的中-晚太古代時期（圖1）。在巖石組合與地球化學特征上，太古代克拉通陸殼依據(jù)巖石類型可分為TTG為主的正片麻巖和由火山巖和少量沉積巖構(gòu)成的綠巖，二者共同構(gòu)成低級區(qū)的花崗-綠巖帶，不同于高級區(qū)的（正、負）片麻巖地體。其中，TTG 是英云閃長巖（Tonalite）奧長花崗巖（Trondhjemite）花崗閃長巖（Granodiorite）為主的一套深成巖的簡稱，可以包括少量淡色輝長巖和石英閃長巖。TTG巖石最顯著的地球化學特征是具有較高的Na/K比值和較高的(La/Yb)N和Sr/Y比值（圖2），表明其原巖可能為含水的低鉀拉斑玄武質(zhì)巖石，并在加厚的下地殼發(fā)生部分熔融，造成源區(qū)殘留石榴子石和金紅石而不含斜長石?？岂R提巖做為太古代綠巖帶中的超基性富Mg噴出巖，在后太古代幾乎絕跡，暗示太古代時期地球具有極高的地幔潛在溫度。
在基底構(gòu)造樣式上，對于全球古老克拉通內(nèi)部典型的花崗-綠巖帶的構(gòu)造解析表明，其早期的陸殼內(nèi)部構(gòu)造樣式以反映垂向構(gòu)造運動的片麻巖穹窿（dome and keel structure）為特征，即表現(xiàn)為組成克拉通主體的TTG巖漿以底辟形式上涌形成不同規(guī)模的片麻巖穹窿構(gòu)造，同時周緣的相對密度較大的超基性-基性-變質(zhì)表殼巖沉降下凹形成向形或龍骨構(gòu)造（圖3a, b）。具體構(gòu)造樣式上表現(xiàn)為片麻巖穹窿與表殼巖接觸邊界往往以強烈垂向剪切拉伸為特征，表現(xiàn)為大量發(fā)育近豎直方向的拉伸線理或Ｌ型構(gòu)造巖（圖3c），反映垂向構(gòu)造運動。
圖 2：太古宙TTG與后太古宙花崗質(zhì)巖石的(La/Yb)N-(Yb)N圖解
太古宙克拉通在變質(zhì)作用方面具有以下特征：a) 變質(zhì)作用都是克拉通規(guī)模，與元古宙和顯生宙的變質(zhì)作用大多局限在線性構(gòu)造帶（造山帶）內(nèi)形成鮮明對比；b) 變質(zhì)作用溫壓條件在正常地熱梯度范圍內(nèi)（10-30 ℃/km），即以低壓-中壓綠片巖相、角閃巖相和麻粒巖相為主；c) 缺少低溫高壓藍片巖相和高壓-超高壓榴輝巖相變質(zhì)作用；d) 變質(zhì)作用演化以具有近等壓冷卻（IBC）逆時針P-T-t軌跡為主。這種獨特的P-T-t軌跡通常與地幔柱上涌的大陸裂谷環(huán)境緊密相關(guān)。圖 3：太古宙克拉通中片麻巖穹窿構(gòu)造樣式與剖面解析
古老大陸究竟是在板塊構(gòu)造體制下的島弧基礎(chǔ)上發(fā)展起來的還是形成于前板塊構(gòu)造（如地幔柱）體制，主要看哪種構(gòu)造體制能更合理地解釋如前所述的太古宙克拉通巖石組合及其地球化學特征、基底構(gòu)造樣式和變質(zhì)作用P-T演化。作者總結(jié)了7條支持板塊構(gòu)造體制的證據(jù)（詳細內(nèi)容參見原文），并提出了相應的構(gòu)造模式圖（圖4），即在洋-洋俯沖的初期，大洋板片俯沖脫水導致上覆地幔楔發(fā)生部分熔融，形成玄武質(zhì)成分的巖石。隨著弧巖漿作用的不斷進行，所形成的玄武巖層越積越厚，以至于火山弧玄武質(zhì)地殼的根部在新的地幔巖漿加熱條件下再次發(fā)生部分熔融，形成中-酸性熔漿，侵位到中-上地殼形成DTTG（D represents diorite）巖石組合，相當于太古代低壓型TTG巖套。而部分俯沖的大洋板片本身也可能發(fā)生部分熔融，形成埃達克質(zhì)巖石，相當于太古宙高壓型TTG巖套，從而導致玄武質(zhì)大洋島弧向長英質(zhì)（安山質(zhì)）島弧的轉(zhuǎn)變（圖4a）。這些長英質(zhì)島弧隨著俯沖導致洋盆的關(guān)閉會發(fā)生相互碰撞，形成具有一定規(guī)模長英質(zhì)陸核的弧地體（圖4b）。具有長英質(zhì)陸核的弧地體的拼合就形成了大陸克拉通（圖4c），這就是板塊構(gòu)造體制下大陸形成模式。大陸起源的島弧模式能夠解釋太古宙克拉通TTG深成巖的成因。然而，板塊構(gòu)造體制下的島弧模式無法解釋太古宙克拉通綠巖帶中的常見雙峰式火山巖組合，即缺少顯生宙巖漿弧環(huán)境下的安山巖。雙峰式火山巖組合通常形成于拉伸的構(gòu)造環(huán)境，很少形成于島弧這樣的擠壓構(gòu)造環(huán)境。此外，太古宙綠巖帶中獨有的科馬提巖也難以在板塊俯沖帶環(huán)境下形成。而這兩個問題用地幔柱的洋底高原模式則能很好的解釋。同時，地幔柱的洋底高原模式也能解釋太古宙高級區(qū)變質(zhì)作用所呈現(xiàn)的近等壓冷卻型（IBC）逆時針P-T-t演化特征和獨特的穹窿構(gòu)造樣式（dome and keel structure）。圖 4：大陸起源于島弧的構(gòu)造模式圖
最后，作者提出了大陸起源于洋底高原的二階段模型：第一階段為洋底高原的形成階段（圖5a, b），即起源于核-幔邊界的地幔柱絕熱上升到巖石圈底部發(fā)生減壓熔融形成玄武質(zhì)巖漿，其底侵到地殼底部使得厚度增加，或者噴出地表形成洋底高原。在此階段的晚期，地幔柱的尾部于巖石圈的底部侵位并噴出地表形成科馬提巖。第二階段為長英質(zhì)陸殼（TTG）的形成階段（圖5c），當另一個新的地幔柱到達已形成的洋底高原底部，會導致洋底高原下部發(fā)生廣泛的麻粒巖相超高溫變質(zhì)作用和地殼深熔作用，導致洋底高原地殼的中-下部轉(zhuǎn)變成中-高壓石榴斜長角閃巖和石榴石麻粒巖。這些變質(zhì)基性巖部分熔融作用的產(chǎn)物就是中-酸性巖漿。由于其密度較輕，其底辟上升會導致密度較大的綠巖地體垂直下沉（sugduction），即所謂的密度差沉降作用并形成太古宙克拉通中常見的dome and keel structure。盡管地幔柱的洋底高原模型可以解釋諸多板塊構(gòu)造難以解釋的問題，但其存在一個致命缺陷，即水的來源問題。眾所周知，地幔柱發(fā)生部分熔融無論是形成科馬提質(zhì)還是玄武質(zhì)巖漿均貧水，而目前對TTG的實驗巖石學、相平衡模擬與O同位素研究均表明其在形成過程中需要源區(qū)有水的參與，要么是干玄武巖的水致熔融，要么是水化的基性巖部分熔融。這一問題至今都沒有很好的解決，而這也是支持大陸起源于板塊構(gòu)造的學者們的基本立足點之一，即在板塊構(gòu)造體制下的島弧模式中俯沖帶就是富水的環(huán)境，有利于TTG的形成。然而，近日來自西澳地質(zhì)調(diào)查局的Smithies等人(Smithies R H, Lu Y, Kirkland C L, et al. Oxygen isotopes trace the originsof Earth’s earliest continental crust[J]. Nature, 2021, 592(7852): 70-75.)針對澳大利亞Pilbara克拉通的研究工作認為，地球最初階段的上地幔中就可能是一種相比現(xiàn)今相對富水的環(huán)境（~425-1000 ppm），由于水在部分熔融中表現(xiàn)為不相容性，因此水會在地幔熔融的產(chǎn)物-原始的鎂鐵質(zhì)地殼中進一步富集，這些原始地殼進一步發(fā)生部分熔融形成了最原始的長英質(zhì)大陸地殼，而不需要板片俯沖的參與。這一認識或許可以幫助完善地幔柱的洋底高原模型。但這種猜想能否具有普適性，未來還需要更多的工作去驗證。圖 5：大陸起源于地幔柱洋底高原的二階段模型
文獻來源：趙國春，張國偉．２０２１．大陸的起源．地質(zhì)學報，９５（１）：１～１９
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