翟明國 趙磊 祝禧艷 焦淑娟 周艷艷, 2 周李崗

1. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 1000292. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星學(xué)院，北京 1000493. 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027

板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間和機(jī)制，一直是國內(nèi)外地球科學(xué)界關(guān)注的前言熱點(diǎn)問題，有不少著名學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過深入的探討。它涉及的問題不僅是早期地球的構(gòu)造機(jī)制問題，更重要的是它關(guān)系到整個(gè)地球的演化歷史、變化過程和演化規(guī)律，以及地球的未來。2002年在北京召開了“前寒武紀(jì)高溫高壓麻粒巖——理解下地殼與早期板塊構(gòu)造的鑰匙”的彭羅斯會(huì)議(Precambrian High-Pressure-High-Temperature Granulites: A Key to Understanding the Lower Crust and Reconstruction of Precambrian Plate Tectonics, 2002, Beijing, China. Chairman, Mingguo Zhai)；2006年在美國懷俄明州召開了“板塊構(gòu)造何時(shí)啟動(dòng)：理論與實(shí)際的約束”的彭羅斯會(huì)議(When Did Plate Tectonics Begin on Earth? Theoretical and Empirical Constraints, 2006, Lander, Wyoming, USA. Chairman, Kr?ner A and Condie K)；對(duì)早期板塊構(gòu)造的研究都起到積極的推動(dòng)作用。此后，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科技部資助了一批相關(guān)的研究項(xiàng)目，中國科學(xué)院也部署了前沿研究課題。以“華北克拉通早前寒武紀(jì)地質(zhì)”為代表的研究取得了很大進(jìn)展。據(jù)ESI基本科學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)庫2016年4月的統(tǒng)計(jì)，“華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)”研究在全球地球科學(xué)領(lǐng)域(Geosciences)504個(gè)“研究前沿”(Research Front)中排名第3，在我國所有自然科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域44個(gè)“研究前沿”中排名第1。2017年中科院科技戰(zhàn)略研究院和國際科睿唯安公司共同發(fā)布“科學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜”和“2017年中國科學(xué)前沿”，“華北克拉通前寒武紀(jì)地質(zhì)”蟬聯(lián)國際地球科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展，位列全球地學(xué)前沿領(lǐng)域第二和中國最活躍研究領(lǐng)域。2018年至今，該領(lǐng)域繼續(xù)排在國際地球科學(xué)前沿的領(lǐng)先位置。2019年-2020年，我國科學(xué)家的有關(guān)文章從以前的討論具體地質(zhì)問題和研究具體地區(qū)為主，開始轉(zhuǎn)向以“俯沖何時(shí)開始”、“板塊構(gòu)造如何啟動(dòng)”等重大核心科學(xué)問題。2019年1月，國家基金委重大研究項(xiàng)目“大陸地殼演化與早期板塊構(gòu)造”啟動(dòng)(本文第一作者為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)，明確地將早期板塊構(gòu)造問題直接與大陸地殼的形成和演化關(guān)聯(lián)。這就是本文在介紹與簡單評(píng)述研究熱點(diǎn)時(shí)，文章標(biāo)題為“早期大陸與板塊構(gòu)造啟動(dòng)——前沿?zé)狳c(diǎn)介紹與展望”的原因。以上文字為解題。

1 近年來有關(guān)板塊構(gòu)造啟動(dòng)研究的簡介

板塊構(gòu)造啟動(dòng)研究的內(nèi)容涉及十分廣泛，本文僅對(duì)啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)機(jī)制以及判定標(biāo)志三個(gè)方面做簡單介紹。

1.1 啟動(dòng)時(shí)間

對(duì)板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間的討論歷來是眾說紛紜，最主要的有以下幾種：

地球大約有45.6億年的歷史，有記錄的最古老大陸巖石形成于約44億年前(Wildeetal., 2001)，第一種觀點(diǎn)認(rèn)為從地球或陸殼形成起，即冥古宙，就存在板塊構(gòu)造。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造始于太古宙的某一時(shí)間如3.8Ga、3.3～3.0Ga或2.9～2.7Ga；或者認(rèn)為起始于2.5Ga(太古宙末期)，對(duì)應(yīng)于全球克拉通化。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造始于2.0～1.8Ga(古元古代中期)，對(duì)應(yīng)于古元古代全球大規(guī)模發(fā)育的造山系；或者起始于800～600Ma的新元古代末期，對(duì)應(yīng)于全球新元古代以來大大小小的“冷俯沖”造山帶。

(1)始于冥古宙

Harrison (2009)將目光盯在古老巖石的記錄中。地球上很少有冥古宙的巖石記錄，在西澳Jack Hills一些太古宙沉積巖中的碎屑鋯石，得到了約4.4Ga的U-Pb年齡。大陸地殼的標(biāo)志性巖石是花崗巖類，它也是鋯石最主要的寄主巖石。因此，Harrison (2009)結(jié)合鋯石年代學(xué)、Lu-Hf同位素和氧同位素組成特征，提出Jack Hills的冥古宙碎屑鋯石正是來自花崗巖，并認(rèn)為地球在冥古宙早期就已經(jīng)開啟了板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)并形成了長英質(zhì)大陸地殼。Yin (2012)論述了火星原始的板塊構(gòu)造，認(rèn)為它局部地區(qū)(約占總面積的25%范圍內(nèi))發(fā)生了板片回捲(rollback)，其原因是太陽系內(nèi)部的巨大撞擊造成厚層火山堆積物載荷，使得火星上主要走滑斷層以50mm/Myr的速度移動(dòng)；但這并非全星球的構(gòu)造，因?yàn)槠溆嗟貐^(qū)保持了不動(dòng)或缺乏板塊構(gòu)造活動(dòng)。Yin (2012)由此推測(cè)，地球早期或許發(fā)生了類似的演化過程。

(2)始于太古宙的某一個(gè)時(shí)期

地球上的板塊運(yùn)動(dòng)起始于太古宙某個(gè)時(shí)期的模型較多，時(shí)間跨度從約3.8Ga(甚至4.0Ga)到2.5Ga。多數(shù)研究者把目光放在陸殼巖石大規(guī)模出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上。3.8Ga左右的奧長花崗巖-英云閃長巖-花崗閃長巖(TTG片麻巖)在全球幾個(gè)主要的克拉通都有保存(Windley, 2007; O’Neiletal., 2007; Condie and Kr?ner, 2008; Geetal., 2018; Dengetal., 2019)。特別是西格陵蘭的古老地盾區(qū)，還存在約3.8～3.7Ga的條帶狀石英鐵建造(BIF)的沉積巖(Nutmanetal., 1993)，至少表明該時(shí)期海水沉積、陸殼物質(zhì)的形成和洋殼物質(zhì)的循環(huán)已經(jīng)開始。很多研究者認(rèn)為此時(shí)板塊構(gòu)造已經(jīng)以某種形式開始作用，或者與地幔柱構(gòu)造、滯蓋/慢蓋構(gòu)造(stagnant lid/sluggish lid tectonic)等共同作用。特殊礦物如南非金剛石的辨識(shí)(Smartetal., 2016)、3.5Ga古老頁巖的代表性同位素(如C-N)或元素(如Ti)指標(biāo)(Greberetal., 2017)等都指示在當(dāng)時(shí)已發(fā)生俯沖作用或存在大規(guī)模陸殼，并據(jù)此推斷板塊構(gòu)造已經(jīng)啟動(dòng)。Nraaetal. (2012)分析了格林蘭島西南部基底巖石的鋯石Hf-O同位素組成，發(fā)現(xiàn)3.2Ga之前，鋯石的εHf(t)值非常接近球粒隕石，而從3.2Ga開始，鋯石εHf(t)值開始強(qiáng)烈偏離并表現(xiàn)為顯著的負(fù)飄。因此，他們推測(cè)板塊構(gòu)造特征性的地殼再循環(huán)起始于約3.2Ga。

3.0～2.5Ga特別是2.7～2.5Ga時(shí)期，是陸殼增生速度最快和體積增加最多的時(shí)段(Gengetal., 2012; Zhai, 2014; Zhai and Santosh, 2011; Condie and Kr?ner, 2013; Wanetal., 2014)。Dhuimeetal. (2015)通過分析火成巖Sr-Nd同位素大數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)約3.0Ga前，地殼成分為鎂鐵質(zhì)；3.0Ga之后，長英質(zhì)地殼逐漸形成，并以此作為板塊構(gòu)造作用開始的依據(jù)。Tangetal. (2016b)根據(jù)太古宙和后太古宙細(xì)粒沉積物Ni/Co、Cr/Zn的變化受控于陸殼從3.0Ga前的鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)?.5Ga的長英質(zhì)，指示全球板塊構(gòu)造應(yīng)在3.0Ga啟動(dòng)。李三忠等(2015)以同時(shí)滿足剛性巖石圈出現(xiàn)、不對(duì)稱地幔對(duì)流與俯沖作用的出現(xiàn)為準(zhǔn)，認(rèn)為全球板塊構(gòu)造機(jī)制啟動(dòng)應(yīng)在2.7～2.5Ga，完全意義上的現(xiàn)代板塊俯沖體制應(yīng)在1.9～1.0Ga期間某個(gè)階段。2.5Ga是地質(zhì)年代表中太古宙與元古宙的分界，本質(zhì)上以重大地質(zhì)事件的劃分為依據(jù)，這和顯生宙地質(zhì)時(shí)代的“金釘子”界限的含義明顯不同。2.5Ga前后的地球發(fā)生巨變，最重要的事情是大陸穩(wěn)定化即克拉通化，隨即進(jìn)入構(gòu)造靜寂期(tectonic quiescence/ unconformity)。一些學(xué)者認(rèn)為2.5Ga是板塊構(gòu)造最可能的啟動(dòng)時(shí)間(Zhao and Zhai, 2013)，或者代表了地球歷史上某個(gè)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換的時(shí)期。Brownetal. (2020a)認(rèn)為這個(gè)轉(zhuǎn)換期可能從新太古代延續(xù)到古元古代(約2.3Ga)，具體表現(xiàn)在早期以非板塊構(gòu)造的熱構(gòu)造體制為主，在大面積的陸殼形成和穩(wěn)定之后逐漸變涼，全球發(fā)育以狹窄邊界帶分離的多個(gè)板塊，從而啟動(dòng)了由地幔柱引發(fā)的大規(guī)模俯沖作用。

(3)始于元古宙的某一個(gè)時(shí)期

基于一些地質(zhì)事件，特別是變質(zhì)作用的記錄，不少研究者認(rèn)為板塊構(gòu)造啟動(dòng)于古元古代，大約在2.2～1.8Ga之間(Evans and Pisarevsky, 2008; Van Hunenetal., 2008; Korja and Heikkinen, 2008; Bastowetal., 2011; Zhouetal., 2017)。Brown (2008)和 Brownetal. (2020a, b)認(rèn)為，板塊構(gòu)造啟動(dòng)之后，將會(huì)導(dǎo)致雙變質(zhì)作用的發(fā)育，這是大洋擴(kuò)張和板塊俯沖導(dǎo)致大規(guī)模位移的結(jié)果。他們認(rèn)為，在哥倫比亞超大陸形成之前，這樣的位移在地球歷史上是沒有記錄的。隨著地質(zhì)時(shí)代的推移，變質(zhì)巖的溫度與壓力比值(T/P)表現(xiàn)出明顯變化(圖1，Brownetal., 2020a)。T/P值分為高T/P、中T/P和低T/P三組(圖1a)。低T/P樣品的年齡集中在<850Ma，以顯生宙最為明顯。少量的低T/P樣品發(fā)育于2.7～2.5Ga、2.2～1.8Ga，或零星出現(xiàn)于1.4～1.0Ga。由此，Brownetal. (2020a, b)提出約2.2Ga之后才出現(xiàn)比較完整的雙變質(zhì)帶，但它們的出現(xiàn)在地質(zhì)歷史上并不連續(xù)，直到～800Ma才開始明確存在典型的雙變質(zhì)帶，表明現(xiàn)代體制的板塊構(gòu)造應(yīng)該出現(xiàn)在新元古代之后(Zhouetal., 2017; Zheng and Zhao, 2020; Zhai and Peng, 2020)。

圖1 變質(zhì)作用的溫度壓力類型(a)及溫度壓力比值(T/P)隨地質(zhì)時(shí)代的變化關(guān)系(b)(據(jù)Brown et al., 2020a, b)

通過與現(xiàn)代板塊構(gòu)造的各種標(biāo)志性特征進(jìn)行綜合比較，包括巖漿作用、變質(zhì)作用、地質(zhì)單元?jiǎng)澐值?，符合或接近板塊構(gòu)造的大多數(shù)指標(biāo)出現(xiàn)在1.0Ga之后(Condie and Kr?ner, 2008)。因此，一些研究者堅(jiān)信板塊構(gòu)造在約800Ma或更晚才啟動(dòng)(Stern, 2007; Hamilton, 2011)。他們強(qiáng)調(diào)巖石圈與地幔的溫度，提出新元古代之前的地球是熱的，難以滿足剛性、浮力和粘滯度等引起板塊俯沖的基本條件。Sternetal. (2016)列舉了金伯利巖的時(shí)間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這些特殊巖石在1.0Ga以前的記錄極少，以此推斷板塊構(gòu)造在1.0Ga之前不發(fā)育。整個(gè)地球歷史上金伯利巖的時(shí)間分布規(guī)律似乎也很符合巖石保存偏差的衰減曲線，這與科馬提巖等高溫熔融的巖石記錄也很相似(趙振華, 2017)。

1.2 啟動(dòng)機(jī)制

板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間存在巨大爭(zhēng)議，在很大程度上起因于對(duì)板塊構(gòu)造機(jī)制的理解不同。板塊構(gòu)造理論形成半個(gè)世紀(jì)以來，表達(dá)形式在不斷的發(fā)展和完善，但其內(nèi)涵沒有改變。在討論板塊構(gòu)造登陸以及起源時(shí)出現(xiàn)的分歧，大多是因?yàn)槲茨軠?zhǔn)確理解板塊構(gòu)造機(jī)制的基本原理。板塊構(gòu)造揭示的是地球不同圈層間的相互作用、大陸與大洋的相互作用以及地殼與地幔的相互作用。三個(gè)最基本的原理即洋底擴(kuò)張(地幔對(duì)流)、大陸漂移和板塊間的相互運(yùn)動(dòng)。板塊有一定的規(guī)模和剛性，相互間的運(yùn)動(dòng)(特別是俯沖)需要有一定的負(fù)浮力，或由洋底擴(kuò)張和地幔對(duì)流的動(dòng)力推動(dòng)。板塊的基本運(yùn)動(dòng)方式是相對(duì)剛性的巖石圈在相對(duì)塑性的軟流圈之上滑動(dòng)，其邊界是不同類型的、深達(dá)軟流圈的斷裂(Frischetal., 2011)。近年來，在板塊構(gòu)造某些核心問題上陸續(xù)有新的問題提出，地幔對(duì)流和洋底擴(kuò)張作為推動(dòng)力，板塊的規(guī)模、剛性、負(fù)浮力等作為保證其基本運(yùn)動(dòng)方式的物理?xiàng)l件的概念受到挑戰(zhàn)。例如，“自上而下(from top down)”的觀點(diǎn)認(rèn)為板塊構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力主要來源于板塊自身的負(fù)浮力(Anderson, 2001; 陳凌等, 2020)，將板塊構(gòu)造又稱為“俯沖構(gòu)造”。對(duì)板塊構(gòu)造有關(guān)概念的理解不同，會(huì)導(dǎo)致對(duì)于早期板塊的啟動(dòng)時(shí)間和啟動(dòng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)存在巨大分歧。

(1)板塊構(gòu)造體制自地殼形成以來始終存在

Yin (2012)提出的火星板片回捲或板片后撤模式(slab rollback)本質(zhì)是太陽系內(nèi)部的巨大撞擊造成火星表面厚層火山堆積物載荷走滑。同樣的過程或許發(fā)生在同為太陽系的行星地球上，某些地質(zhì)現(xiàn)象也被推測(cè)記錄了地球上冥古宙的板塊構(gòu)造。Turneretal. (2020)認(rèn)為板塊俯沖造成的巖漿活動(dòng)是板塊構(gòu)造體制的重要判別依據(jù)。他們根據(jù)西澳Jack Hills古老巖石中的冥古宙碎屑鋯石巖漿分配系數(shù)進(jìn)行全巖成分回算(得到全巖SiO2含量～59±6%)，認(rèn)為源巖不是板內(nèi)鎂鐵質(zhì)巖石也不是TTG巖石或者Sundbury碰撞的熔融產(chǎn)物，而是類似于現(xiàn)代俯沖形成的安山巖，由此提出地球在約4.3Ga就存在板塊構(gòu)造。Kuskyetal. (2018)將均變論應(yīng)用于現(xiàn)存巖石記錄的研究，列舉和評(píng)估了地質(zhì)歷史時(shí)期地球化學(xué)和同位素年代學(xué)數(shù)據(jù)限定的巖石記錄和構(gòu)造-巖石組合，提出在比現(xiàn)今更高的地幔溫度和地溫梯度條件下，早期地球顯示出具有一定地球化學(xué)成分特征差異和更軟弱的大洋巖石圈、熱俯沖帶引發(fā)俯沖板片的更大程度熔融，以及不同的生物圈和大氣圈環(huán)境，但各種對(duì)板塊構(gòu)造具有判別性的地質(zhì)學(xué)證據(jù)都確鑿無疑地指示板塊構(gòu)造至少在最早形成巖石時(shí)(4.0Ga)就已存在。

(2)熱是地球演化以及構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變的根本制約因素

更多的研究者關(guān)注地球從早期的熾熱無序到逐漸變涼，引起了圈層分異和構(gòu)造體制的變化(Van Hunen and Moyen, 2012)。因此，板塊構(gòu)造在地球降溫到一定程度以后才會(huì)出現(xiàn)，而且也會(huì)在地球冷到一定程度后停止(Zhai and Peng, 2020)。板塊構(gòu)造從古太古代到新太古代至古元古代是幕式出現(xiàn)和演化的。例如，Sleep (2015)和Gerya (2014)認(rèn)為板塊構(gòu)造始于太古宙，在3.2Ga或者更早時(shí)期出現(xiàn)。地質(zhì)時(shí)代越早，出現(xiàn)俯沖的頻率越高，規(guī)模越小。類大洋或類大陸巖石圈由于高的莫霍面溫度(>800℃)，造成粘滯度弱、地幔的溫度高于現(xiàn)代約175～250℃，這將阻礙穩(wěn)定巖石圈板塊的俯沖深度。在600～800Ma時(shí)期，地幔溫度發(fā)生轉(zhuǎn)變，比現(xiàn)代高80～150℃，可能允許大陸俯沖更穩(wěn)定，從而導(dǎo)致超高壓(UHP)巖石有限地發(fā)育在前寒武紀(jì)。圖2a顯示了前寒武紀(jì)超熱、熱、混合以及冷造山帶的分類(轉(zhuǎn)引自Gerya, 2014)，圖2b指示造山帶隨著地質(zhì)時(shí)代不斷演化，2.0Ga是關(guān)鍵的熱演化時(shí)間節(jié)點(diǎn)。很多文章強(qiáng)調(diào)前寒武紀(jì)的板塊構(gòu)造不是全球性的，是局部出現(xiàn)的，隨著時(shí)間的變化逐漸成為全球的主導(dǎo)構(gòu)造(Condie and Kr?ner, 2013)，并且從平緩的運(yùn)動(dòng)向更深的俯沖轉(zhuǎn)變(Abbottetal., 1994; Sizovaetal., 2014)。

圖2 前寒武紀(jì)造山帶分類(a)和隨時(shí)間的演化(b)(轉(zhuǎn)引自Gerya, 2014)

1.3 板塊構(gòu)造的判別標(biāo)志

板塊構(gòu)造的判別標(biāo)志是不同研究領(lǐng)域的研究者根據(jù)自身領(lǐng)域?qū)Π鍓K構(gòu)造的理解分別提出的，它的使用能把復(fù)雜的問題簡單化，但同時(shí)也可能把非唯一的解當(dāng)做唯一證據(jù)。因此，除了對(duì)這些判別標(biāo)志進(jìn)行認(rèn)真的研究核實(shí)之外，還應(yīng)注意它們的多解性、有限性和片面性。

(1)主要判別標(biāo)志

圖3是一個(gè)關(guān)于板塊構(gòu)造的主要判別標(biāo)志圖，以及其可能出現(xiàn)的地質(zhì)歷史時(shí)期(據(jù)Condie and Kr?ner, 2008簡化)。最受關(guān)注的判別標(biāo)志包括地球化學(xué)特征、變質(zhì)作用、花崗巖和洋殼(蛇綠巖)的出現(xiàn)等等，它們被廣泛應(yīng)用于解釋殼幔作用、洋陸轉(zhuǎn)換和地球動(dòng)力學(xué)過程。趙宗溥(1993)曾把地球早期演化的難題概括為兩個(gè)未解之謎，即TTG和太古宙麻粒巖的形成，這兩個(gè)難題的解密就幾乎涵蓋了以上所有的問題。對(duì)于這兩點(diǎn)，下文將分別介紹。古地磁標(biāo)志是現(xiàn)代板塊構(gòu)造確立和板塊重建的重要標(biāo)尺，但是對(duì)早期板塊構(gòu)造來說，后期構(gòu)造對(duì)原有古地磁記錄的影響是致命的。20世紀(jì)90年代末，我國學(xué)者曾與德國學(xué)者在懷安地區(qū)開展新太古代-古元古代地體的古地磁研究(Zhang, 2001)，效果并不理想。Evans and Pisarevsky (2008)和Cawoodetal. (2006)也曾對(duì)南非、北美等古老克拉通進(jìn)行古地磁大陸重建工作。最近，Brenneretal. (2020)利用古地磁手段發(fā)現(xiàn)西澳3.2Ga的Honeyeater玄武巖記錄了顯著的古緯度偏轉(zhuǎn)，認(rèn)為板塊構(gòu)造在3.2Ga之前就已經(jīng)大范圍運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，這個(gè)古緯度變化是相對(duì)于地球的磁極，而地球的磁極本身會(huì)隨時(shí)間變化(true polar wander)。因此他們觀測(cè)到的記錄到底是反映了真實(shí)的板塊水平運(yùn)動(dòng)，還是磁極自身位置的偏移，目前不得而知。

圖3 板塊構(gòu)造的主要判別標(biāo)志(據(jù)Condie and Kr?ner, 2008簡化)

(2)地質(zhì)證據(jù)與綜合判斷

絕大多數(shù)研究者都贊同綜合的地質(zhì)分析在判斷地質(zhì)事件性質(zhì)和討論地質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程中是第一位的，但是由于早期的地質(zhì)現(xiàn)象在后期的演化中常常被改造甚至被抹去，這導(dǎo)致綜合地質(zhì)分析在早期地球的研究中經(jīng)常被忽視。早期的構(gòu)造變形、“板塊邊界帶”的組成和結(jié)構(gòu)，特別是巖漿巖組合、變質(zhì)作用和變質(zhì)帶結(jié)構(gòu)、沉積巖建造，以及不同塊體之間的宏觀比較是非常重要的。對(duì)于蛇綠巖帶的研究，需要用到綜合的地質(zhì)方法，其研究的內(nèi)容不是單一的巖石類型，而是一套巖石組合，包括巖石類型和組合、彼此間的地球化學(xué)性質(zhì)與關(guān)聯(lián)、巖石的同源性、變形特征與變質(zhì)歷史、圍巖與區(qū)域地質(zhì)，以及地質(zhì)年代學(xué)等。我國的一個(gè)研究實(shí)例是華北的東灣子蛇綠巖(Kuskyetal., 2001; Zhaietal., 2002; Kusky and Zhai, 2012)。在后來的研究中，Kuskyetal. (2018)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)板塊構(gòu)造體系的意義，強(qiáng)調(diào)通過全球地質(zhì)對(duì)比的研究思路，并通過一系列的對(duì)比和歸納總結(jié)，推斷在地球早期(4.0Ga)就存在著與現(xiàn)今相似的巖石構(gòu)造體系，可以作為研究古老的板塊邊界的重要對(duì)象。圖4顯示的是現(xiàn)代活動(dòng)大陸邊緣的巖石構(gòu)造體系(圖4a)和古老克拉通中變質(zhì)變形的巖石構(gòu)造單元(圖4b)。Kuskyetal. (2018)將華北克拉通中部，南從贊皇，北經(jīng)五臺(tái)，向東-東北到遵化和遼西建平的新太古代地帶劃為新太古代末的板塊邊界構(gòu)造帶，雖然這種劃分存有不同意見，但仍不失為一個(gè)利用綜合地質(zhì)方法研究古老克拉通的例子。

圖4 活動(dòng)大陸邊緣系統(tǒng)(a)和古老克拉通(b)(據(jù)Kusky et al., 2018)

Cawoodetal. (2018)認(rèn)為板塊構(gòu)造的發(fā)展可能經(jīng)歷從非板塊、幕式或長期不穩(wěn)定(secular)板塊到現(xiàn)代板塊構(gòu)造的演化過程。剛性的巖石圈的運(yùn)動(dòng)、變形和地質(zhì)行為應(yīng)該在沉積巖、火山巖和變質(zhì)巖中有記錄。在地質(zhì)分析時(shí)要充分識(shí)別不同時(shí)代巖石組合的地質(zhì)特征及其差異性，以及不同地質(zhì)體之間的相互作用。他們還指出隨著時(shí)代變化，前Pangea的板塊構(gòu)造和現(xiàn)代有差別，地質(zhì)特征的對(duì)比和板塊體制中地質(zhì)單元的劃分都需要考慮時(shí)代因素。

圖5 O-Si同位素對(duì)水熱或沉積條件的示蹤(據(jù)Deng et al., 2019)

(3)地球化學(xué)特征

地球化學(xué)是固體地球科學(xué)領(lǐng)域最活躍也是發(fā)展最快的學(xué)科之一。從早期地殼元素克拉克值的計(jì)算到現(xiàn)在，人們已經(jīng)逐漸加深了對(duì)地球不同圈層物質(zhì)特性的了解，特別是地殼、地幔以及外部一些圈層的物質(zhì)組成，從定性的了解向定量化的研究深化；并且可以通過元素包括同位素的含量、比值和其它指標(biāo)，了解大洋、大陸、不同地質(zhì)體、不同構(gòu)造背景的巖石、巖漿源區(qū)的差異和巖漿過程，可以研究殼-幔、洋-陸、深部與淺部、內(nèi)部與外來物的物質(zhì)交換和循環(huán)，探討動(dòng)力學(xué)機(jī)制和大地構(gòu)造背景。其中，同位素的定年和地球化學(xué)示蹤是最受關(guān)注的研究方向。2020年，中國科學(xué)家評(píng)選出十大科學(xué)前沿問題，作為唯一地球科學(xué)選題的“地球物質(zhì)組成與循環(huán)”高票入選。隨著高精度和高分辨率分析儀器及其技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了地球化學(xué)的學(xué)科發(fā)展，地球化學(xué)理論的提高反之推動(dòng)技術(shù)和儀器的改進(jìn)。在這個(gè)形勢(shì)下，對(duì)地球化學(xué)數(shù)據(jù)使用和解釋中的簡單化、程式化的問題有所暴露，有些地質(zhì)工作者對(duì)此提出了擔(dān)憂。火成巖地球化學(xué)性質(zhì)作為板塊構(gòu)造的識(shí)別標(biāo)志之一，在板塊構(gòu)造起源的研究中也是最受關(guān)注的。雖然某些指標(biāo)的解釋是多元的、不唯一的，但在地質(zhì)某個(gè)時(shí)期，一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，特別是系統(tǒng)的指標(biāo)變化所暗含的地球演化機(jī)制的突變是不能忽視的。

在地球化學(xué)性質(zhì)及其變化方面討論較多的巖石和地質(zhì)體是科馬提巖、金伯利巖、玄武巖高地、古老洋殼、綠巖帶、太古宙蛇綠巖、島弧火山巖、TTG和鈣堿性花崗巖等(Shireyetal., 2008; Moyen and Van Hunen, 2012; O’Neilletal., 2016; Sternetal., 2016; Cawoodetal., 2018)。不少研究者都很關(guān)注地幔和地殼地?zé)崽荻葘?duì)巖石地球化學(xué)性質(zhì)的制約作用，以及同類巖石地球化學(xué)性質(zhì)隨地質(zhì)時(shí)代變化的差異及其原因。礦床作為特殊的巖石組合，對(duì)于構(gòu)造環(huán)境、源區(qū)和地質(zhì)時(shí)代十分敏感和帶有標(biāo)識(shí)意義，也被地質(zhì)學(xué)家賦予板塊和構(gòu)造體制判別標(biāo)志的重要內(nèi)涵(Grovesetal., 2005; Kerrichetal., 2005; Zhai and Santosh, 2013; 趙振華, 2017)。

這里選擇幾項(xiàng)新的進(jìn)展簡介如下。Tangetal. (2016b)通過研究不同時(shí)代頁巖和冰磧巖里的Ni/Co和Cr/Zn比值，重建了大陸上地殼從3.2Ga至今的MgO含量和主要巖性變化，發(fā)現(xiàn)地球上長英質(zhì)的大陸地殼在3.0～2.5Ga才開始大量出現(xiàn)，并提出這種地殼成分的劇變代表著板塊構(gòu)造的啟動(dòng)。Trailetal. (2018)對(duì)太古宙碎屑鋯石的研究未發(fā)現(xiàn)偏重的Si同位素組成，然而隨后Dengetal. (2019)報(bào)道了對(duì)太古宙TTG的全巖Si同位素分析結(jié)果，強(qiáng)調(diào)發(fā)現(xiàn)TTG樣品不論年齡大小，Si同位素全都偏重，可能暗示TTG的源區(qū)混入了大洋沉積的硅質(zhì)巖(圖5)。Smitetal. (2019)分析了地幔鉆石中硫化物包裹體的S同位素，發(fā)現(xiàn)只有<3.0Ga的鉆石硫化物包裹體才有太古宙地表環(huán)境特有的33S非質(zhì)量相關(guān)分餾現(xiàn)象，從而提出板塊構(gòu)造不應(yīng)早于中太古代。Liuetal. (2019a)將顯生宙和太古宙約55000件基性巖漿巖樣品按SiO2含量45%～49%和49%～52%分成兩組，計(jì)算低硅和高硅巖石中高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ti或P的平均含量與SiO2的關(guān)系及其差值DIFF隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)顯生宙基性巖中Nb、Ti、P元素平均含量與SiO2含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而太古宙的基性巖卻無負(fù)相關(guān)。DIFF值指示堿性玄武巖比例于21億年前開始大幅度增加，是地幔溫度快速降低的結(jié)果，表明持續(xù)性的板塊俯沖體制開始于21億年前。Liuetal. (2019b)還研究了火山巖中記錄的Th/U系統(tǒng)與大氣中氧的變化關(guān)系(圖6)。數(shù)據(jù)表明，大氣氧從微不足道的水平發(fā)展到現(xiàn)在的水平，經(jīng)歷了兩個(gè)主要的臺(tái)階，即大氧化事件(Great Oxidation Event, GOE)和新元古代氧化事件(Neoproterozoic Oxygenation Event, NOE)。而弧火山巖記錄的Th/U體系的變化主要發(fā)生在約2.35Ga和0.75Ga，與兩個(gè)主要的氧化事件一致。因此，大氣氧的激增是地球歷史上關(guān)鍵的俯沖事件的反映。

圖6 地球歷史上氧化還原敏感地化指標(biāo)(據(jù) Liu et al., 2019b)

以上幾項(xiàng)新的研究進(jìn)展都很有說服力，但他們的觀點(diǎn)也同時(shí)存在爭(zhēng)議。最主要的原因是，雖然這幾項(xiàng)研究均揭示了一些表層巖石進(jìn)入到地幔并經(jīng)歷物質(zhì)循環(huán)的地球化學(xué)指標(biāo)，但是造成物質(zhì)循環(huán)的地質(zhì)過程和動(dòng)力學(xué)機(jī)制不一定就是代表現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造樣式的俯沖作用和板塊機(jī)制。例如，根據(jù)滯蓋構(gòu)造理論模式(Piper, 2013; Bédard, 2018)，當(dāng)在地表堆積的表殼巖石有一定厚度時(shí)，可促成地幔循環(huán)冷卻并影響到上地幔，擾亂地球熱產(chǎn)生/消耗的平衡，最后引起地幔反轉(zhuǎn)，這個(gè)地幔熱異常的帶叫做地幔上涌反轉(zhuǎn)帶(overturn upwelling zones, OUZONES)。玄武巖、科馬提巖等表殼巖石都可能被帶到地幔深度，經(jīng)歷變化和發(fā)生拆沉，造成陸殼和大陸巖石圈地幔的局部與暫時(shí)的耦合。其它假設(shè)的構(gòu)造學(xué)說，特別是地幔柱構(gòu)造，也會(huì)造成殼幔的相互作用。在現(xiàn)代板塊構(gòu)造出現(xiàn)之前，長期變化的(secular)板塊構(gòu)造機(jī)制與現(xiàn)代板塊之間的差異性不一定僅體現(xiàn)在規(guī)模上，還可能體現(xiàn)在方式和機(jī)制上，這是地球化學(xué)數(shù)據(jù)解釋中需要注意的(Cawood, 2020a)。

(4)變質(zhì)作用

變質(zhì)巖和變質(zhì)作用是記錄以及反演地球演化歷史的黑匣子。變質(zhì)巖最主要的出露區(qū)是早前寒武紀(jì)地質(zhì)體和顯生宙碰撞型造山帶(趙宗溥, 1993)。在太古宙地體中，高級(jí)變質(zhì)的巖石主要出露在片麻巖-麻粒巖區(qū)，低級(jí)變質(zhì)的巖石主要出露在綠巖帶(Windley, 1995)。人們長期認(rèn)為片麻巖-麻粒巖區(qū)的變質(zhì)巖石經(jīng)歷了中壓高溫麻粒巖相和高角閃巖相變質(zhì)作用(沈其韓等, 1992)。筆者等(翟明國等, 1992)在華北發(fā)現(xiàn)高壓麻粒巖地體后曾提出在早前寒武紀(jì)存在與現(xiàn)代相似的大陸碰撞作用，被2002年的彭羅斯會(huì)議稱為“早期板塊構(gòu)造的鑰匙”。高壓麻粒巖相巖石可達(dá)到麻粒巖-榴輝巖轉(zhuǎn)換相，普遍經(jīng)歷了中壓麻粒巖相減壓變質(zhì)作用的疊加。此后，研究者還關(guān)注高溫麻粒巖，特別是它們與高壓麻粒巖相巖石密切共生并經(jīng)歷了相同的變質(zhì)變形歷史。各類麻粒巖的峰期變質(zhì)年齡為1.96～1.90Ga，中壓麻粒巖相和角閃巖相退變質(zhì)年齡為約1.85Ga和1.80Ga。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，高壓麻粒巖相巖石仍屬中壓變質(zhì)相系，與現(xiàn)代大陸碰撞作用所形成的變質(zhì)作用在溫壓梯度、抬升速率、原巖組合及動(dòng)力學(xué)機(jī)制等方面存在差異(Zhai and Santosh, 2011; Zhouetal., 2017)。

陸殼巖石的變質(zhì)作用隨時(shí)代表現(xiàn)出溫度降低和壓力升高的事實(shí)已經(jīng)被揭示(Brown, 2008; Brownetal., 2020b; 翟明國, 2009, 2012)，圖7中清楚地顯示變質(zhì)巖石記錄的地?zé)崽荻?溫壓梯度)在新太古代集中在30℃/km上下，古元古代集中在22℃/km上下，顯生宙集中在10℃/km以下。但是就單一的變質(zhì)巖石而言，超高溫的變質(zhì)巖在顯生宙也有存在，一些高壓的巖石在太古宙也有報(bào)道。最早的雙變質(zhì)帶(paired metamorphic belts)概念是Miyashiro (1961, 1973)提出的，主要表示在俯沖板塊的邊界帶，大洋一側(cè)和大陸一側(cè)的變質(zhì)巖石分別以高壓低溫和高溫低壓為特征，并由此可以判定俯沖極性和動(dòng)力學(xué)過程。此后有學(xué)者用于陸-陸碰撞帶，但沒有達(dá)成共識(shí)。Brown (2008)和Brownetal. (2020a)提出雙變質(zhì)帶(bimodal metamorphic belts)可能最早出現(xiàn)在新太古代，并在古元古代～2.2Ga出露完整。他們認(rèn)為高壓帶出現(xiàn)在造山帶，高溫帶是造山腹地(hinterland)上沖板片斷裂后，伸展過程中導(dǎo)致的變質(zhì)作用。Zheng and Zhao (2020)提出兩種范式的板塊構(gòu)造(圖8)：一是現(xiàn)代范式的板塊構(gòu)造，以冷俯沖為特征，典型產(chǎn)物是阿爾卑斯式藍(lán)片巖-榴輝巖相變質(zhì)系列；二是元古代范式的板塊構(gòu)造，以暖俯沖為特征，典型產(chǎn)物是巴肯式角閃巖-麻粒巖相變質(zhì)系列。他們通過檢查板塊邊緣的動(dòng)力體制和熱狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)俯沖板塊邊緣在低熱梯度下表現(xiàn)出剛性行為，表殼巖石能夠俯沖到大陸巖石圈地幔深度；在中等熱梯度下即可表現(xiàn)出韌性行為，表殼巖石只能俯沖到大陸下地殼深度。太古宙時(shí)期以廣泛出現(xiàn)的暖俯沖為標(biāo)志，在古元古代開始出現(xiàn)局域性冷俯沖，到新元古代起才出現(xiàn)全球性的冷俯沖。Cawood (2020b)強(qiáng)調(diào)高溫下俯沖地質(zhì)體的韌性與低溫俯沖剛性的重要差別，其界限可能在800Ma，是由地幔的溫度演化決定的。他還指出從時(shí)間尺度上看可能有雙變質(zhì)帶，但在空間上未必是對(duì)應(yīng)的。因此，流行的雙變質(zhì)帶在文獻(xiàn)中用詞以及概念上都是不一致的。近幾年，不少研究試圖恢復(fù)古老的雙變質(zhì)帶，例如，Huangetal. (2020)將華北克拉通南部的登封雜巖劃分為西部和東部兩部分，并基于它們相似的變質(zhì)年齡(2.50～2.54Ga)，但不同的變質(zhì)溫壓梯度，分別是ca.425～600℃/GPa和ca.720(850)～1200(1400)℃/GPa，提出登封雜巖構(gòu)成了新太古代末的雙變質(zhì)帶，代表了碰撞造山作用。其他學(xué)者對(duì)華北克拉通南緣太華雜巖(Luetal., 2020)，以及冀東新太古代麻粒巖(魏春景, 2018; Luetal., 2017; Liu and Wei, 2020)的研究，識(shí)別出溫壓梯度不同的兩類變質(zhì)巖石，但認(rèn)為它們經(jīng)歷了新太古代末和古元古代兩期變質(zhì)作用，并在局部有變質(zhì)作用的疊加。

圖7 變質(zhì)巖的地?zé)?溫壓)梯度隨時(shí)代變化圖解(據(jù)Brown, 2008; 翟明國, 2009)

圖8 兩種范式的變質(zhì)作用(據(jù)Zheng and Zhao, 2020)

變質(zhì)作用的研究要避免簡單的變質(zhì)巖和變質(zhì)條件的比較，要注重變質(zhì)帶結(jié)構(gòu)、變質(zhì)巖組合，以及相關(guān)巖漿巖、沉積巖組合的研究，更要注重變質(zhì)體系、變質(zhì)歷史，以及原巖建造、后期部分熔融及巖漿作用改造的研究，要認(rèn)真劃分變質(zhì)階段和精確限定不同變質(zhì)階段的時(shí)代，要通過變質(zhì)作用研究地球和大陸總體的熱狀態(tài)、熱演化及其動(dòng)力學(xué)過程，要把變質(zhì)作用與不同類型的變質(zhì)巖石的剛性狀態(tài)、流變性、粘滯度和密度的研究結(jié)合起來。

2 關(guān)于早期大陸與板塊構(gòu)造

目前，太陽系中只有地球大規(guī)模發(fā)育花崗巖，換言之，只有地球擁有以花崗巖為主體的陸殼。如果我們把板塊構(gòu)造理解為不同物性、不同物質(zhì)組成的巖石圈板塊之間的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，那么沒有花崗巖就沒有殼-幔和洋-陸之間的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，也就是不存在板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。在討論板塊構(gòu)造起源時(shí)，已經(jīng)有越來越多的研究者注意到大陸地殼的形成和演化，但是重視與強(qiáng)調(diào)的程度仍然不夠。月球的陸殼是斜長巖，洋殼是隕石坑中撞擊導(dǎo)致月幔部分熔融的月海，斜長巖高地(月陸)早于月海形成。如果火星是已經(jīng)過度冷卻并因?yàn)槟撤N原因使得原有的大氣圈、海洋(水)圈逃逸或完全破壞，那么進(jìn)一步的研究需要解決火星表層沙塵的物質(zhì)組成，能否分出大洋區(qū)和大陸區(qū)，以及大陸區(qū)是否是以花崗巖為主、平均成分是閃長巖的物質(zhì)體。

2.1 大陸的形成

地球上首先出現(xiàn)的是陸還是洋的爭(zhēng)論從未停止。地球至今所發(fā)現(xiàn)的最古老巖石是高鈉的花崗巖系列巖石(TTG)。最早的TTG質(zhì)巖石或者初始古陸核的形成可以通過科馬提質(zhì)巖漿高度分異實(shí)現(xiàn)(Jordan, 1978)，但是借由此模式來形成TTG陸殼是困難的：在地球上尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)于如此巨量的TTG巖石的巖漿堆晶成因的超基性和基性巖存在，也未在地幔中找到它們拆沉返回并對(duì)地幔成分明顯改造的記錄。那么大量的TTG巖石的形成可能更需借助二次巖漿分離模式來完成(Martin, 1987)。從這個(gè)角度上講，地球的演化歷史從本質(zhì)上與月球有根本的區(qū)別。二次巖漿分離的模式是基于非板塊機(jī)制還是基于板塊機(jī)制，至今仍沒有爭(zhēng)出是非(Barker and Arth, 1976; Glikson, 1979; Johnston and Wyllie, 1988; 趙宗溥, 1993; Martinetal., 2005; Smithiesetal., 2007)。借鑒于顯生宙埃達(dá)克巖的成因，目前洋殼俯沖熔融的模式比較流行，但仍然有一些學(xué)者指出埃達(dá)克巖與TTG巖石在地球化學(xué)上特別是Mg#具有重要差別(Martinetal., 2009)。Condie (2001, 2004)強(qiáng)調(diào)早期至少在2.7Ga之前，地幔柱等構(gòu)造是形成TTG更重要的方式。假如地球先有洋殼，那么最早形成的陸殼是很小的陸核，而后逐漸長大是基本的共識(shí)，即3.8～3.6Ga之前的陸殼還很小，大量的陸殼形成在2.8～2.7Ga之后(Condie, 2004; Brownetal., 2020b)。它們是如何增生的，則有相當(dāng)大的爭(zhēng)議。Moyen and Laurent (2018)認(rèn)為太古宙和現(xiàn)代的地幔源區(qū)火成巖的對(duì)比研究對(duì)于理解TTG成因是有幫助的(圖9)。他們的研究表明，太古宙鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石的源區(qū)集中在一個(gè)“中間位置”、地幔沒有那么虧損、俯沖記錄罕見、洋底高原與洋中脊的差別沒有那么大。因此，太古宙在2.5Ga之前可能是與顯生宙不同的構(gòu)造環(huán)境(Condie, 2008)。太古宙特殊的巖石類型指示太古宙的地?zé)崽荻却蠹s是現(xiàn)在的3倍，在20～50℃/km之間(Xiongetal., 2005; 張旗和翟明國, 2012)，如果取30℃/km計(jì)算，溫度900～1050℃時(shí)共存的礦物組合是斜長石+角閃石(圖10, 熊小林等, 2005, 2011)，壓力約在0.9～1.1Ga之間，熔融殘留相可以沒有石榴石(Stern, 2007)，加厚鎂鐵質(zhì)地殼不是必須條件。從冥古宙到太古宙結(jié)束的約20億年的漫長時(shí)間內(nèi)，TTG和陸殼的形成可能不是也不必是同一的構(gòu)造機(jī)制驅(qū)動(dòng)和完成的。

圖9 推測(cè)的太古宙時(shí)期構(gòu)造樣式(據(jù)Moyen and Laurent, 2018)

圖10 含水玄武巖部分熔融域溫度-壓力相圖以及太古宙地?zé)岬販靥荻鹊V物相邊界及反應(yīng)線(引自熊小林等,2005, 2011)

2.2 大陸演化、克拉通與大陸巖石圈

大陸演化的幾個(gè)根本問題是大陸地殼的形成、生長、穩(wěn)定化、成熟化和殼幔循環(huán)與洋陸轉(zhuǎn)換。在時(shí)間上，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為大陸是幕式生長，至少有3.8～3.6Ga、3.3～3.0Ga、2.9～2.7Ga以及～2.5Ga幾個(gè)關(guān)鍵階段(Windley, 1995; Zhai, 2014; Condie, 2008; Moyen and Laurent, 2018; Brownetal., 2020b)。從空間上看，最早是小的陸核出現(xiàn)，然后或圍繞陸核增生或是類似俯沖造山增生，很大的可能是最先出現(xiàn)在洋底高原附近。此后陸殼應(yīng)該逐漸長大成一定規(guī)模的微陸塊，微陸塊與洋殼之間可能出現(xiàn)不同方式的相互運(yùn)動(dòng)，如小規(guī)模的俯沖、地幔反轉(zhuǎn)、重力拖引等，是陸殼生長的主要原因。格陵蘭3.8Ga的古老變質(zhì)地體中，除了TTG片麻巖之外，條帶狀硅鐵建造(BIF)的沉積已經(jīng)成規(guī)模出現(xiàn)，并且有3.7～3.8Ga的鎂鐵質(zhì)巖墻侵入，證明一定規(guī)模的陸殼已經(jīng)形成并出現(xiàn)了深海沉積(Nutmanetal., 1993)。從物質(zhì)成分來看，鈉質(zhì)為主的陸殼逐漸富鉀(成熟化)。主要的陸殼成熟化階段是2.7～2.5Ga(Condie, 2001, 2004, 2008; Zhaoetal., 2020)。實(shí)際上，研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從～3.8Ga起，最早形成的TTG巖石就會(huì)很快發(fā)生重熔，逐漸出現(xiàn)富鉀的現(xiàn)象。富鉀巖石是先存巖石部分熔融或者參與風(fēng)化和沉積的物質(zhì)記錄(Wanetal., 2005; Wuetal., 2008; Lietal., 2017a; Wangetal., 2020)?；鹕綆r中出現(xiàn)漸漸增多的鈣堿質(zhì)巖石，這個(gè)過程指示了殼幔相互作用，說明地殼參與了物質(zhì)循環(huán)和地幔的部分熔融。最近，Lietal. (2020)通過Mg同位素研究，進(jìn)一步確定太古宙的S-型花崗巖主要形成在新太古代，認(rèn)為可以更好地限制地殼成熟化的過程和時(shí)代。

花崗巖的出現(xiàn)可能最早在4.4Ga之前，但是大陸巖石圈的出現(xiàn)則要晚得多(Zhai and Peng, 2020)。巖石圈在陸殼演化的什么時(shí)期出現(xiàn)以及是什么狀態(tài)，是文獻(xiàn)中涉及很少的薄弱環(huán)節(jié)。一個(gè)非常重要的事件是克拉通化，即穩(wěn)定大陸的形成過程。雖然各個(gè)大陸的克拉通化時(shí)間有差別，但大都發(fā)生在新太古代。2.5Ga作為太古宙與元古宙的界限，標(biāo)志著在這個(gè)界限前后，地質(zhì)記錄發(fā)生了巨大的變化?？梢哉f，克拉通化是地球演化歷史上最偉大的事件，甚至沒有“之一”。它的內(nèi)涵是固體地球穩(wěn)定的圈層基本形成、地殼與地幔耦合并在地殼內(nèi)也出現(xiàn)了上下地殼的分層、固體圈層與大氣和水圈層基本耦合(翟明國, 2011)，代表一個(gè)時(shí)代的結(jié)束和另一個(gè)時(shí)代的開啟。克拉通化事件還被推測(cè)是超級(jí)克拉通或克拉通群的形成(Rogers and Santosh, 2009)，這約束的是超級(jí)克拉通大陸的規(guī)模。據(jù)研究，新太古代末超級(jí)克拉通的規(guī)模與Pangea超大陸相當(dāng)。當(dāng)然，超級(jí)克拉通與現(xiàn)在大陸仍有差別，由于當(dāng)時(shí)的地幔和地殼的地?zé)崽荻缺痊F(xiàn)代高，地殼或巖石圈的厚度比現(xiàn)代厚(Moyen and Van Hunen, 2012)，它們?cè)诤髞淼难莼性龠M(jìn)一步調(diào)整。

在克拉通化之后，地球的構(gòu)造演化停滯(unconformity)了2～3億年，此后地球被全球性裂谷和冰期充斥，出現(xiàn)大氧化事件，接著演繹了環(huán)境劇變與生命演化的史詩?？死ɑ臋C(jī)制是需要進(jìn)一步探討的?？死ɑ臉?biāo)志是穩(wěn)定的克拉通蓋層沉積、鎂鐵質(zhì)巖墻群、大量的殼熔花崗巖出現(xiàn)，以及相對(duì)應(yīng)的以相容元素與難熔的不相容元素的分離等為標(biāo)志的圈層穩(wěn)定與耦合(趙宗溥, 1993; Windley, 1995; 翟明國, 2011)。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，巖石圈在這個(gè)時(shí)期的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)、厚度、以及地?zé)崽荻鹊鹊鹊难芯?，?duì)于克拉通化是如何實(shí)現(xiàn)的，以及為板塊構(gòu)造的啟動(dòng)創(chuàng)造了怎樣的條件，一定是至關(guān)重要的。在基金委資助的“大陸地殼演化與早期板塊構(gòu)造”項(xiàng)目中，將新太古代2.7Ga至古元古代末期的1.8Ga這個(gè)時(shí)間段，稱為地球演化特別是約束板塊構(gòu)造啟動(dòng)的“關(guān)鍵期”。

3 華北克拉通的研究進(jìn)展與構(gòu)造模式

華北克拉通雖然不大，但是歷史悠久并且早前寒武紀(jì)地質(zhì)演化的記錄齊全，構(gòu)造疊加強(qiáng)烈，信息量很大，一些成果具有代表性。在討論大陸演化和早期板塊構(gòu)造時(shí)，華北克拉通的例子值得認(rèn)真分析和思考。下面對(duì)華北克拉通新太古代和古元古代兩次構(gòu)造轉(zhuǎn)折的研究做簡單介紹。

3.1 新太古代

華北克拉通新太古代地質(zhì)的研究在：1)當(dāng)時(shí)是否存在蛇綠巖；以及2)期間強(qiáng)烈的地殼生長與活化等兩個(gè)方面表現(xiàn)突出，在年代學(xué)、地球化學(xué)和變質(zhì)作用方面進(jìn)展很快，積累了豐富的資料。

(1)克拉通化與構(gòu)造演化的研究簡史

華北克拉通的太古宙雜巖出露廣泛，巖石類型多樣、變質(zhì)復(fù)雜、變形強(qiáng)烈、礦產(chǎn)豐富，新中國建立以來至“文化大革命”期間都涌現(xiàn)出很多重要成果。1981年改革開放初期，在“科學(xué)的春天”來臨之際，中國召開的第一個(gè)大型國際會(huì)議就是“國際前寒武紀(jì)地殼演化學(xué)術(shù)討論會(huì)”，國際著名學(xué)者齊聚北京，對(duì)于前寒武紀(jì)地質(zhì)、新理論和研究方法都展開了熱烈的討論。程裕祺和張壽廣(1982)提出華北在太古宙末期經(jīng)歷了麻粒巖相和角閃巖相兩次區(qū)域變質(zhì)和廣泛的混合巖化作用，是華北克拉通化的主導(dǎo)機(jī)制；筆者曾對(duì)華北克拉通太古宙含BIF建造的太古宙火山沉積巖系統(tǒng)研究并以鞍山為例，提出了高級(jí)區(qū)代表島弧的根部，綠巖帶代表弧后盆地的島弧連續(xù)增生構(gòu)造模式，提出板塊構(gòu)造在太古宙已經(jīng)是支配構(gòu)造體制(Zhai and Windley, 1990; Zhaietal., 1990)。1993年，趙宗溥先生等提出華北經(jīng)歷了兩次克拉通化，以垂直構(gòu)造為主的陸殼結(jié)晶基底抬升與掀斜模式為主導(dǎo)(趙宗溥, 1993)。同年，白瑾等(1993)提出華北原地臺(tái)破裂后在太古宙末期重新焊接。錢祥麟(1994)提出華北克拉通是下地殼水平狀剪切和板底墊托導(dǎo)致的陸殼垂直增生成陸。伍家善等(1998)提出吉-遼-魯島弧帶拼接?xùn)|部陸塊與西部、南部陸塊的拼合模式。Kuskyetal. (2001)提出華北冀東遵化地區(qū)有～2.5Ga的新太古代東灣子蛇綠巖(圖11)，并存在大洋地幔的殘片。這個(gè)報(bào)道引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和爭(zhēng)論(Zhaietal., 2002; Kusky and Li, 2003; Zhaoetal., 2010)，核心問題是如何識(shí)別古老蛇綠巖、如何定年以及是否能確定在華北克拉通存在一個(gè)太古宙板塊構(gòu)造的實(shí)例。2002年北京召開彭羅斯會(huì)議之際，多名國際著名前寒武紀(jì)地質(zhì)學(xué)家又共同考察了遵化地區(qū)，進(jìn)行了熱烈的野外和會(huì)議討論。雖然分歧依舊存在，但是東灣子蛇綠巖的爭(zhēng)論，推動(dòng)了中國乃至世界的早前寒武紀(jì)地質(zhì)的研究(Kusky and Zhai, 2012; Kuskyetal., 2018)。Zhaoetal. (1998, 2005)注意到華北中部存在高壓麻粒巖地體，提出可能早已存在的東、西兩個(gè)古陸，從2.5Ga起開始俯沖，最終在1.85～1.8Ga拼合形成華北克拉通。筆者等(Zhai, 2004, 2014; 翟明國, 2011; Zhai and Santosh, 2011, 2013)根據(jù)地質(zhì)學(xué)、巖石學(xué)和變質(zhì)作用最新的觀察和數(shù)據(jù)資料，改變了對(duì)華北克拉通島弧連續(xù)增生的成因看法(Zhai and Windley, 1990)，提出古老微陸塊(高級(jí)區(qū))在ca.2.6～2.5Ga拼合并由綠巖帶焊接的穹隆-龍骨模式。一些研究陸續(xù)提出華北新太古代不同地區(qū)微陸塊拼合及其方式(Santoshetal., 2016; Chenetal., 2016; Pengetal., 2013; Shanetal., 2019; Tangetal., 2016a; Wang and Liu, 2012; Wangetal., 2017; Yangetal., 2016)，板塊構(gòu)造和非板塊的構(gòu)造模式都被考慮和論證。朝鮮半島的太古宙基底以及與華北克拉通的聯(lián)系也被研究并引起關(guān)注(Zhaoetal., 2006, 2020; 吳福元等, 2016; Zhaietal., 2019)。

圖11 華北克拉通中部蛇綠巖帶及構(gòu)造模式圖(據(jù)Kusky and Zhai, 2012)

圖12 華北克拉通前板塊-始板塊(Ⅰ)、早期板塊(Ⅱ)和現(xiàn)代板塊構(gòu)造(Ⅲ)演化示意圖(據(jù)Zhai and Peng, 2020)

(2)太古宙巖石學(xué)、地球化學(xué)和年代學(xué)研究

近年來華北克拉通太古宙的研究積累了大量的巖石學(xué)、地球化學(xué)和同位素年代學(xué)資料(Maetal., 2012, 2013; Dengetal., 2016; Zhouetal., 2018; Huetal., 2012; Zhuetal., 2013; Diwuetal., 2011, 2013; Cuietal., 2018; Geetal., 2015; Liouetal., 2019; Jiaetal., 2019; Lietal., 2010; Lvetal., 2012; Zhangetal., 2012, 2015; Liuetal., 2013a, b; Wangetal., 2013; Huetal., 2016; Wang and Liu, 2012; Zhongetal., 2015; Chenetal., 2017; Fuetal., 2017; Yangetal., 2009；Zhaoetal., 1999)，已經(jīng)有了系統(tǒng)的梳理和討論(Gengetal., 2006, 2012; Liuetal., 2002, 2019, 2009; Wanetal., 2011, 2012, 2016)，華北克拉通可能是世界上數(shù)據(jù)積累最多的古老陸塊。

圖13 華北克拉通太古宙正片麻巖類的An-Ab-Or圖解(a)和εHf對(duì)207Pb/206Pb年齡圖解(據(jù)Zhai et al., 2020)

圖14 華北太古宙綠巖帶中玄武質(zhì)表殼巖的Nb/Th-La/Sm圖解(a)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(b)(據(jù)Zhai et al., 2020)

圖15 冀東麻粒巖的P-T條件與軌跡(a, 據(jù)魏春景, 2018)和華北克拉通幾個(gè)典型新太古代末變質(zhì)巖的P-T條件與軌跡(b,據(jù)Zhai et al., 2020)

華北一些沉積巖石中冥古宙的碎屑鋯石以及華北南緣奧陶紀(jì)火山巖中冥古宙繼承鋯石的發(fā)現(xiàn)，以及華北南緣麻粒巖包體中的始太古代巖漿鋯石的發(fā)現(xiàn)(Zhengetal., 2004)，暗示華北曾有或在深部陸殼中可能還保留有冥古宙巖石和始太古代巖石。鞍山地區(qū)38億年的TTG片麻巖經(jīng)歷了后期的活化和改造，類似年齡的碎屑鋯石在多處發(fā)現(xiàn)，也說明古太古代的古老巖石可能在華北的分布比以前推測(cè)的更廣。具有明確洋殼性質(zhì)的早前寒武紀(jì)巖石在華北至今不能確定，綠巖帶中的巖石組合不具有現(xiàn)代洋殼的性質(zhì)，這與世界上其它古老地塊上的表殼巖層的洋殼之爭(zhēng)是一樣的(翟明國, 1991a, 2012)。即便如此，華北克拉通最早的TTG仍有可能是古老大洋高原巖石部分熔融產(chǎn)生的(圖12a; Zhai and Peng, 2020)。已有的研究表明華北的陸殼最主要的生長期是2.9～2.7Ga的新太古代，并形成了由綠巖帶分割和連接的若干微陸塊(圖12b)，隨后在2.6～2.5Ga的新太古代晚期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的地殼活化和變質(zhì)作用。華北的克拉通化總體結(jié)束于～2.5Ga，局部地區(qū)最后穩(wěn)定在～2.45Ga。華北早期陸殼的演化明確地展現(xiàn)了從鈉質(zhì)陸殼向鉀質(zhì)陸殼的演化趨勢(shì)。早期的陸殼巖石主要由TTG巖石組成，它們?cè)诤笃谘莼谐霈F(xiàn)活化和部分熔融的現(xiàn)象，鉀長石交代和形成不同類型混合巖的現(xiàn)象普遍存在。2.7Ga之后，除了混合巖化更加強(qiáng)烈和普遍外，黑云母花崗巖(被古元古代疊加改造為片麻巖)成為巖席和巖體出現(xiàn)的比例大增。正片麻巖類的長石分類圖解和εHf對(duì)207Pb/206Pb年齡的圖解體現(xiàn)出這種演化趨勢(shì)(圖13)。綠巖帶中表殼巖的研究顯示，2.7Ga之前的火山巖是以拉斑玄武巖為主，夾有科馬提巖和英安巖，鈣堿性火山巖很少；在2.6～2.5Ga的火山中，鈣堿性火山巖比例增大(圖14)，出現(xiàn)一些安山巖和安山質(zhì)流紋巖。深成巖和表殼巖都表明華北克拉通的陸殼成熟化在太古宙末有一個(gè)跳躍式發(fā)展，表明殼幔作用以及陸殼巖石的深部循環(huán)增強(qiáng)。一些研究還詳細(xì)地對(duì)比了華北克拉通東部、西部和中部的早前寒武紀(jì)巖石和顯生宙的沉積巖以及現(xiàn)代河沙的鋯石。研究結(jié)果顯示，東、西部(包括鄂爾多斯盆地基底)和中部的太古宙巖石的巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石和碎屑鋯石都具有相似的年代學(xué)信息和同位素地球化學(xué)信息以及演化趨勢(shì)，沒有明確證據(jù)指示它們?cè)?.5Ga或1.9～1.8Ga之前分屬不同的陸塊(Gengetal., 2012; Wanetal., 2016; Zhangetal., 2015)。

(3)新太古代末變質(zhì)作用

華北高級(jí)區(qū)和綠巖帶兩個(gè)基本的地質(zhì)單元都經(jīng)歷了多期變質(zhì)，而且經(jīng)歷了多期的基底巖石活化。Jahn (1990)曾經(jīng)將華北描述為，含BIF的表殼巖成為“小船般的”殘片漂浮在花崗巖海中，用以形容基底活化(混合巖化)的強(qiáng)烈程度。高級(jí)區(qū)巖石普遍發(fā)生了麻粒巖相變質(zhì)作用和深熔作用，局部經(jīng)歷了高角閃巖相變質(zhì)作用；綠巖帶普遍發(fā)生角閃巖相變質(zhì)作用，局部麻粒巖相以及局部綠片巖相變質(zhì)作用。這兩種變質(zhì)地質(zhì)體都經(jīng)歷了一期強(qiáng)烈的角閃巖相退變質(zhì)作用階段(沈其韓等, 1992)。另外，早古元古代的麻粒巖相-角閃巖的變質(zhì)作用非常強(qiáng)烈，造成許多變質(zhì)巖區(qū)都有不同程度的疊加，這就使得華北克拉通的變質(zhì)作用研究的難度很大。近幾年來，新太古代末期變質(zhì)，也就是和克拉通化以及超級(jí)克拉通形成有關(guān)的變質(zhì)作用研究進(jìn)展很大，為建立新太古代末的構(gòu)造體制提供了很多依據(jù)。

詳細(xì)的微區(qū)巖相學(xué)和礦物學(xué)的工作為變質(zhì)作用定年提供了可能。原位微區(qū)的鋯石和其它變質(zhì)礦物的定年工作能夠確定華北克拉通普遍發(fā)生了新太古代末的變質(zhì)作用，變質(zhì)年齡在主要ca.2.54～2.46Ga之間(Luetal., 2017, 2020; Baietal., 2015; Xieetal., 2014; Chenetal., 2017; Dengetal., 2016; Duanetal., 2017; 劉平華等, 2011; Wuetal., 2013; Yang and Wei, 2017; Liu and Wei, 2020)。這些變質(zhì)巖石出露在華北克拉通的邊緣和內(nèi)部，包括了通常所稱的東部、西部和中部。從地質(zhì)體上講，包括了高級(jí)區(qū)和綠巖帶，從巖石類型上講，包括了巖漿巖(片麻巖類與基性麻粒巖或斜長角閃巖)和沉積巖，還有紫蘇花崗巖(一般認(rèn)為其成因是與麻粒巖相關(guān)的深熔作用的產(chǎn)物)。新太古代末的變質(zhì)作用可以確認(rèn)，遺留的問題是這期變質(zhì)作用仍可以分出峰期和退變質(zhì)不同階段。即便ca.2.54～2.46Ga的變質(zhì)時(shí)代所代表的變質(zhì)期次已經(jīng)有不少討論，但進(jìn)一步的研究仍有很大的余地。

魏春景(2018)對(duì)冀東麻粒巖的變質(zhì)作用和P-T-t軌跡進(jìn)行了全面總結(jié)(圖15a)。太平寨卵形域中的基性麻粒巖以中粒二輝麻粒巖為主，有些樣品的角閃石周圍出現(xiàn)疊加變質(zhì)形成微粒礦物組合，個(gè)別樣品中也可見輝石周圍發(fā)育石榴石冠狀體，形成“紅眼圈”結(jié)構(gòu)。利用稀土元素溫度計(jì)確定二輝麻粒巖的峰期達(dá)到了～1000℃的超高溫條件，麻粒巖中的鋯石僅記錄新太古代末期變質(zhì)年齡(～2.50Ga)，與周圍TTG質(zhì)巖石的結(jié)晶時(shí)間近于相同。灑河橋線性帶中的基性麻粒巖以細(xì)粒高壓麻粒巖組合為主，偶見中粒二輝麻粒巖殘留，其峰期P-T條件分別為800～860℃/1.0～1.2GPa和950～1070℃/1.0GPa；麻粒巖中鋯石主體記錄新太古代末期變質(zhì)年齡，但出現(xiàn)少量古元古代變質(zhì)鋯石(1.97～1.83Ga)，石榴石-全巖Lu-Hf等時(shí)線年齡為1.77～1.78Ga。由此推測(cè)太平寨和灑河橋地區(qū)都經(jīng)歷了新太古代末期超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用，在古元古代晚期又遭受了高壓麻粒巖相變質(zhì)作用的差異性疊加。相平衡模擬構(gòu)建麻粒巖P-T軌跡為逆時(shí)針型，包括3個(gè)階段：低壓加熱至超高溫(AG-Ⅰ)；近等溫升壓至壓力峰期(～1.1GPa)(AG-Ⅱ)；和峰后降壓降溫至固相線(AG-Ⅲa)以及在亞固相線下的降溫降壓過程(AG-Ⅲb)。灑河橋泥砂質(zhì)麻粒巖的峰期變質(zhì)條件和時(shí)代均與二輝麻粒巖一致。魏春景(2018)對(duì)此變質(zhì)過程的解釋是太古宙克拉通的形成受太古宙特有的垂直構(gòu)造體制控制，與太古宙之后線性造山帶的構(gòu)造體制完全不同。除麻粒巖相的深成巖之外，麻粒巖相表殼巖也普遍經(jīng)歷超高溫變質(zhì)作用，指示巖石受到后續(xù)地幔極高溫巖漿噴發(fā)并被埋深加熱，或者受到下部TTG質(zhì)巖漿海的加熱，被加熱的巖石(總伴有BIF鐵礦層)被破碎并在密度驅(qū)動(dòng)下沉入巖漿海深部，達(dá)到下地殼深度。

冀東蔞子山-老李家的泥質(zhì)麻粒巖得到順時(shí)針的P-T軌跡(Luetal., 2017)，變質(zhì)礦物組合和反應(yīng)與羊崖山的很相似(Liu and Wei, 2020)，后者被解釋為逆時(shí)針型。Liu and Wei (2020)指出超高溫變質(zhì)峰期前有升壓過程，之后經(jīng)歷了降壓冷卻階段。冀東的曹莊表殼巖被認(rèn)為是麻粒巖相變質(zhì)(閆月華等, 1991)和角閃巖相變質(zhì)(Liu and Wei, 2020)，變質(zhì)P-T軌跡是順時(shí)針型。遷安穹隆的超高溫麻粒巖具有逆時(shí)針型P-T軌跡，穹隆邊部的表殼巖(主要是角閃巖相)，被解釋為沉落機(jī)制(sagduction, Yang and Wei, 2017; 魏春景, 2018; Liu and Wei, 2020)。華北其它幾個(gè)主要的綠巖帶，表殼巖的變質(zhì)多在角閃巖相，并且具有順時(shí)針型的P-T軌跡(圖15b)。Zhaietal. (2020)最近對(duì)華北的～2.5Ga的變質(zhì)作用的研究提出以下幾點(diǎn)總結(jié)：①綠巖帶表殼巖大多經(jīng)受了角閃巖相變質(zhì)作用，少量是綠片巖相或麻粒巖相變質(zhì)作用；②高級(jí)區(qū)的深成巖和表殼巖大多經(jīng)受麻粒巖相變質(zhì)作用，少量角閃巖相變質(zhì)作用，超高溫的變質(zhì)條件可能是普遍現(xiàn)象，伴隨著深熔形成紫蘇花崗巖；③綠巖帶的變質(zhì)巖基本都具有順時(shí)針型P-T軌跡，高級(jí)區(qū)的變質(zhì)巖大多具有逆時(shí)針型P-T軌跡，其中部分表殼巖具有順時(shí)針型P-T軌跡；④綠巖帶和高級(jí)區(qū)的變質(zhì)巖多數(shù)可識(shí)別出峰期前的升壓和峰期后的降壓反應(yīng)，變質(zhì)時(shí)代大致限定在ca.2.54～2.48Ga，其中部分太古宙麻粒巖有明顯的古元古代變質(zhì)作用的疊加；⑤雖然綠巖帶的總體變質(zhì)溫度和壓力相對(duì)于高級(jí)區(qū)的變質(zhì)巖都略低，特別是變質(zhì)溫度，但二者都處于中壓變質(zhì)相系。

對(duì)于華北克拉通在新太古代末的克拉通化(圖12c, d)，Zhai and Peng (2020)提出始板塊構(gòu)造(Eo-plate tectonics)，以期與古元古代早期板塊構(gòu)造(Early plate tectonics)和新元古代之后的現(xiàn)代板塊構(gòu)造(Modern plate tectonics)區(qū)別。具體是：始板塊構(gòu)造發(fā)生于太古宙晚期的2.7～2.5Ga，在陸殼大規(guī)模形成之后，微陸塊通過圍繞它們的綠巖帶焊接(weld)形成超級(jí)克拉通或克拉通群。微陸塊是環(huán)繞洋底高原通過洋殼的俯沖形成的，綠巖帶是微陸塊之間的靠近洋底高原的淺海或邊緣海，沉積物是含BIF的火山-沉積巖建造。造成洋殼有限下沉的原因是BIF相對(duì)于微陸塊具有較高的密度和負(fù)浮力，華北南緣的新太古代BIF的密度達(dá)3.6～3.8g/cm3，可高于大別山柯石英榴輝巖(李一良, 個(gè)人交流)。綠巖帶的下沉機(jī)制是受BIF的拖拽，綠巖帶經(jīng)歷了淺-中級(jí)變質(zhì)，具有順時(shí)針型P-T軌跡；微陸塊邊緣也被拖拽下沉，經(jīng)受逆掩推覆和板底墊托，有逆時(shí)針和順時(shí)針型兩種P-T軌跡(圖15b)，并普遍經(jīng)歷高溫甚至超高溫變質(zhì)作用。下地殼有廣泛的部分熔融，大量鉀質(zhì)(鈣堿質(zhì))花崗巖熔出，形成穩(wěn)定的克拉通(圖12d)。

3.2 古元古代

二十世紀(jì)九十年代初，王仁民等(1991)、翟明國(1991b)、翟明國等(1992)分別在恒山和懷安地區(qū)發(fā)現(xiàn)高壓麻粒巖的殘?jiān)?熔融殘留包體)和高壓麻粒巖地體。在金巍和李樹勛(1996)報(bào)道超高溫變質(zhì)礦物之后，郭敬輝等(2006)確定超高溫變質(zhì)作用在華北大面積存在。為了與太古宙高級(jí)區(qū)的中壓麻粒巖以及Carswell and O’Brien (1993)定義的石榴石麻粒巖或高壓麻粒巖相區(qū)別，這兩類麻粒巖，即HT-HP和UHT(壓力也一般大于1.0GPa)被稱為高級(jí)麻粒巖(翟明國, 2009; Zhouetal., 2017)，迅速引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在2002年國際著名地質(zhì)學(xué)家聯(lián)名的“Precambrian High-Pressure-High-Temperature Granulites: A key to Understanding the Lower Crust and Reconstruction of Precambrian Plate Tectonics”建議書中，華北高溫高壓麻粒巖地體的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是幾十年來前寒武紀(jì)地質(zhì)研究中最重要的發(fā)現(xiàn)。

(1)高級(jí)麻粒巖及其變質(zhì)作用

華北克拉通早前寒武紀(jì)石英拉斑玄武質(zhì)成分的麻粒巖中石榴石的發(fā)現(xiàn)，指示變質(zhì)壓力大于1.0GPa，隨后退變榴輝巖的發(fā)現(xiàn)(翟明國等, 1995)，限定了高壓麻粒巖的變質(zhì)壓力和溫度達(dá)到麻粒巖和榴輝巖的轉(zhuǎn)換相。麻粒巖相變質(zhì)的富鋁變質(zhì)巖和紫蘇花崗巖中含假藍(lán)寶石和尖晶石等礦物包體或組合，指示至少溫度高達(dá)900℃甚至1000℃以上。特別是近年來隨著測(cè)試儀器精度的提高和研究理念的變化，在變質(zhì)礦物、變質(zhì)結(jié)構(gòu)、微細(xì)的礦物和流體包裹體、全巖與單礦物的原位微細(xì)的結(jié)構(gòu)、成分的分析進(jìn)展很快(Jiaoetal., 2011; 王浩錚等, 2015; Zouetal., 2018, 2020; Jiao and Guo, 2020)。另外一個(gè)醒目的研究方向是，變質(zhì)作用期次的劃分和精確的年代學(xué)測(cè)定的進(jìn)展(Jiaoetal., 2020a, b; Zouetal., 2020)，這樣就可以限定不同變質(zhì)階段的年齡。華北的高級(jí)麻粒巖有三種類型(翟明國, 2009)，即含石榴石的鎂鐵質(zhì)麻粒巖，變沉積巖和超鎂鐵質(zhì)麻粒巖。鎂鐵質(zhì)麻粒巖的原巖主要是基性巖墻或小的基性侵入體(Guoetal., 2002; Zhaoetal., 2001; 王洛娟等, 2011; Qian and Wei, 2016; Liuetal., 2013a; Zhaoetal., 2015)，它們可以侵入太古宙的TTG片麻巖，也可以侵入泥質(zhì)為主的變質(zhì)沉積巖(俗稱孔茲巖系)或與后者經(jīng)構(gòu)造作用的調(diào)整以互層狀產(chǎn)出(Guoetal., 2012; Jiao and Guo, 2011; Jiaoetal., 2013; Santoshetal., 2007, 2009; Zhangetal., 2014; Wuetal., 2016)。變質(zhì)的沉積巖系以泥質(zhì)巖、碎屑巖，以及厚層的大理巖為主，沒有或少見火山巖。少量的超鎂鐵質(zhì)巖以透鏡體群出現(xiàn)，透鏡體最大單個(gè)長軸甚至可達(dá)1km(翟明國, 2009; 劉平華等, 2011; Zhouetal., 2017)。前兩種分布廣泛，第三種目前僅在膠北地體中發(fā)現(xiàn)，在世界其它地區(qū)也鮮見出露。三種麻粒巖都可以確定出三期變質(zhì)，即壓力最高的峰期變質(zhì)，等溫或溫度略有增高的中壓麻粒巖相變質(zhì)以及角閃巖相變質(zhì)等，具有明確的順時(shí)針型P-T軌跡(圖16a)。第二期和第三期變質(zhì)都有部分熔融現(xiàn)象，第一期退變的部分熔融產(chǎn)物的代表性巖石為紫蘇花崗巖或含石榴石黑云母花崗巖，它們可由初始的熔融細(xì)脈、團(tuán)塊發(fā)展成花崗巖脈、巖株或小巖體。第二期退變的部分熔融以廣泛的混合巖化為代表，偉晶巖和細(xì)晶巖脈發(fā)育，可切穿區(qū)域片麻理或形成新的穿透性片麻理。華北克拉通不同地區(qū)的三類麻粒巖的變質(zhì)時(shí)代大致相同，均為1980～1900Ma，1890～1820Ma以及1800Ma(圖16b)(Zhouetal., 2017)。變質(zhì)的地?zé)崽荻葹?4～28℃/km(平均21℃/km)，都屬于中壓變質(zhì)相系的范圍。這個(gè)地?zé)崽荻扰c現(xiàn)代大陸造山帶相比，要高得多(圖16c)。高級(jí)麻粒巖的抬升速率要比顯生宙碰撞造山帶慢的多(圖16d)，甚至比顯生宙的一些沉積盆地的抬升還要慢，主要原因是在較高的地?zé)崽荻认?，下插的麻粒巖片的密度與下地殼圍巖密度相差不多，它們?cè)谧冑|(zhì)程度和塑性程度及粘滯度也都相似。這為我們討論古元古代的構(gòu)造機(jī)制和動(dòng)力學(xué)過程提供了重要的依據(jù)。

圖16 變質(zhì)的基性麻粒巖與泥質(zhì)麻粒巖的溫壓條件與PT途徑(a)、變質(zhì)年齡圖解(b)、變質(zhì)溫壓梯度(c)和抬升速率圖解(d)(據(jù)Zhou et al., 2017)

(2)兩種高級(jí)麻粒巖的成因聯(lián)系與全球表現(xiàn)

早期的研究認(rèn)為以基性麻粒巖為代表的高壓麻粒巖主要出露于華北克拉通的中部，以泥質(zhì)麻粒巖為代表的高溫麻粒巖主要出露在華北克拉通的西北部；變質(zhì)程度上曾認(rèn)為泥質(zhì)麻粒巖是中壓高溫-超高溫，比高壓基性麻粒巖溫度略高；變質(zhì)時(shí)代上認(rèn)為泥質(zhì)麻粒巖帶的變質(zhì)時(shí)代是～1.9Ga，高壓基性麻粒巖的變質(zhì)時(shí)代是1.85～1.8Ga。翟明國和彭澎(2007)將華北克拉通的古元古代事件分成早期的裂谷事件和晚期的擠壓事件之后，提出高級(jí)麻粒巖特別是孔茲巖系，是沿著晉-冀-豫、集寧和膠-遼-吉三個(gè)活動(dòng)帶分布的。近年來的研究也揭示高級(jí)麻粒巖的分布要廣泛的多，它們從西往東，經(jīng)密云，過承德、遼西、遼北到朝鮮半島的狼林地塊和京畿地塊；從北向南，由吉南，過膠東和冀東，到安徽霍邱、鳳陽；在華北南緣，東從安徽五河向西到登封和陜西境內(nèi)小秦嶺地區(qū)，然后向北與贊皇地區(qū)相連。此外在覆蓋的鄂爾多斯盆地的鉆井巖心中，也發(fā)現(xiàn)了孔茲巖系(Gouetal., 2016)。古元古代的高級(jí)麻粒巖的分布與產(chǎn)出狀態(tài)成為解開它們的成因和構(gòu)造意義的關(guān)鍵。它們是出露比顯生宙造山帶寬度大得多的泛造山帶？或者像錢祥麟(1994)推測(cè)的，古元古代的孔茲巖系曾經(jīng)是華北克拉通的面狀蓋層，蓋在TTG片麻巖之上。它們經(jīng)因某種構(gòu)造遭受高級(jí)變質(zhì)作用，處于下地殼的一個(gè)層位上；后來在顯生宙的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，抬升到地表，現(xiàn)在的出露狀態(tài)受抬升面和抬升構(gòu)造的影響，有些還沒有出露地表，被晚期的巖石覆蓋，有些已經(jīng)被剝蝕，露出TTG片麻巖基底？或者揭示了其它的構(gòu)造？在2019年部分中國學(xué)者組織參與的華北南緣前寒武紀(jì)巖石的野外會(huì)議上，上述疑問已經(jīng)被提出。

三種主要的高級(jí)麻粒巖類型，特別是基性麻粒巖和孔茲巖系有沒有成因聯(lián)系，詳細(xì)的地質(zhì)填圖和巖石露頭與構(gòu)造解析(Zhangetal., 2014; Wangetal., 2016; Wuetal., 2016; Zhouetal., 2017)揭示高壓基性麻粒巖作為巖墻，侵入到TTG片麻巖基底以及含碳質(zhì)的沉積巖系中。在峰期變質(zhì)之前，上述巖石已經(jīng)共生在一起，它們共同經(jīng)歷了從峰期變質(zhì)以及此后的兩期變質(zhì)作用和多期構(gòu)造變形，并在后來的地質(zhì)構(gòu)造中被抬到地表(圖17)，變質(zhì)作用的研究和變質(zhì)年代學(xué)的研究結(jié)果與構(gòu)造分析一致。在膠北出露的超鎂鐵質(zhì)巖，因?yàn)闃?gòu)造變形，形成透鏡體群，其長軸與區(qū)域TTG片麻巖和孔茲巖的片麻理及片理一致。在冀東、遼西和豫南，一些太古宙的巖石，包括在高級(jí)區(qū)和綠巖帶中的，都識(shí)別出古元古代麻粒巖變質(zhì)事件的影響。它們表現(xiàn)為兩種形式，一種是在太古宙巖石的變質(zhì)礦物和結(jié)構(gòu)中識(shí)別出后期變質(zhì)的疊加，另一種是太古宙深成巖和變質(zhì)巖被年齡約1.8Ga的巖墻侵入，巖墻的邊部出現(xiàn)輝石被石榴石包圍的冠狀變質(zhì)結(jié)構(gòu)。TTG片麻巖的變質(zhì)疊加的顯示較弱，有些可以被變質(zhì)鋯石記錄下來。在膠北2.9～2.7Ga的片麻巖地體中，一些斜長角閃巖的透鏡體或變形的巖墻，核部發(fā)現(xiàn)石榴石甚至輝石的殘留，表明它們?cè)?jīng)是石榴輝石麻粒巖；部分樣品得出ca.1.9～1.85Ga的鋯石年齡，與泥質(zhì)麻粒巖一致。

圖17 TTG、HP基性麻粒巖、HT-UHT泥質(zhì)麻粒巖(孔茲巖系)的空間關(guān)系圖(a)及剖面圖(b)(據(jù)Wang et al., 2016; Zhou et al., 2017)

古元古代高級(jí)麻粒巖相變質(zhì)巖在其它古老的克拉通也有相當(dāng)廣泛的分布，在印度、巴西、西伯利亞、北歐、蘇格蘭等地都有報(bào)道(Condie, 2002; Zhaoetal., 2002)，有些顯示線性的出露特點(diǎn)，如北美最大的古元古代 Trans-Hudson 造山帶(Corriganetal., 2009)；有些表現(xiàn)出某些碰撞造山特征，如北歐的 Lapland-Kola 造山帶出現(xiàn)了榴輝巖(Mintsetal., 2010; Slabunovetal., 2011; Lietal., 2017b; Liuetal., 2017)；但更多的是發(fā)育高壓-高溫甚至超高溫(UHT)麻粒巖相變質(zhì)巖石(翟明國, 2009; Kelsey and Hand, 2015; Brownetal., 2020a)。華北的古元古代的高級(jí)麻粒巖帶在朝鮮半島南、北側(cè)也有廣泛發(fā)育(Zhaoetal., 2006, 2020; 趙磊等, 2016; Ohetal., 2019; Santoshetal., 2018; Leeetal., 2017)，甚至延續(xù)到日本的西北部(Tsutsumietal., 2003; Wakita, 2013; Kimuraetal., 2019)。對(duì)華北與東北亞的對(duì)比研究、以及全球的古元古代的聯(lián)系和構(gòu)造意義，已經(jīng)引起許多研究者的關(guān)注。

(3)古元古代早期板塊構(gòu)造

對(duì)于華北的古元古代構(gòu)造模式有多種，除Zhaoetal. (1998, 2005)的東西陸塊拼合模式外，Kusky and Li (2003)提出華北克拉通沿華北北緣的內(nèi)蒙-冀北造山帶與北面的陸塊拼合，Santoshetal. (2007)提出華北中部活動(dòng)帶雙向俯沖等等，這些模式都有一定的影響。對(duì)碰撞和抬升的細(xì)節(jié)也有一些討論(Guoetal., 2012)。Zhai and Peng (2020)提出早期板塊構(gòu)造的概念，認(rèn)為它以古老克拉通發(fā)育活動(dòng)帶為標(biāo)志，活動(dòng)帶具有線性分布特征，部分地層和基底發(fā)生高壓麻粒巖相或高溫超高溫麻粒巖相變質(zhì)作用，表現(xiàn)出降壓的變質(zhì)過程，部分達(dá)麻粒巖-榴輝巖轉(zhuǎn)換相。他們強(qiáng)調(diào)了華北高級(jí)麻粒巖的溫壓梯度偏高(21～26℃/km)，屬于中壓變質(zhì)相系，這導(dǎo)致俯沖的巖片具有一定的塑性和偏高的浮力，因此它們的俯沖深度不可能太深。在中國華北以及世界上其它的古元古代的變質(zhì)帶中，都沒有發(fā)現(xiàn)和確定有地幔巖石的殘片，俯沖陸殼巖石曾下沉到下地殼的下部約40～50km(圖12f-h)，地幔巖石沒有參與俯沖和碰撞過程。另一方面，Zhai and Peng (2020)等提出早期板塊的俯沖速度不可能太快。雖然有榴輝巖的報(bào)道，但沒有柯石英榴輝巖等超高壓變質(zhì)礦物，沒有藍(lán)片巖相變質(zhì)巖。這些都限定了俯沖巖片沒有下插到巖石圈深度甚至地幔深度，因此不會(huì)出現(xiàn)俯沖巖石圈在軟流圈界面上滑動(dòng)的現(xiàn)象和地質(zhì)特征。圖12中顯示有來自地幔的巖漿底侵和巖墻群活動(dòng)，以及強(qiáng)烈的陸殼活化，這是地幔與下地殼都比較熱的標(biāo)志。由于俯沖的陸殼與麻粒巖相的TTG為主的圍巖之間的密度相近，抬升速率慢，寬度大，形成寬大的泛造山變質(zhì)帶。早期板塊模式與現(xiàn)代板塊構(gòu)造模式在驅(qū)動(dòng)力和構(gòu)造過程上仍有本質(zhì)差別。

(4)板塊構(gòu)造的起源

從以上的討論，特別是結(jié)合圖12，Zhai and Peng (2020)提出板塊構(gòu)造并不是在地球的某一時(shí)刻突然啟動(dòng)的，也不是從弱到強(qiáng)漸次啟動(dòng)的(secular)，而是階段性構(gòu)造機(jī)制的變化和演化，核心控制因素是“熱”。在圖12中，a-b即陸核形成和陸殼生長并形成微陸塊之前，地球上主要是高級(jí)區(qū)(微陸塊)和綠巖帶(洋底高原邊緣海和微陸塊之間小洋盆)的地質(zhì)格局。地幔柱、滯蓋構(gòu)造和其它垂向構(gòu)造為主控機(jī)制。地球的板塊俯沖樣式隨地幔溫度的降低發(fā)生過重要的轉(zhuǎn)變。在地球的早期，其構(gòu)造樣式以滯(留)蓋型(Stagnant-lid)垂向構(gòu)造體制為主，板塊俯沖(或下沖)作用多呈短暫的、間歇性的俯沖(Episodic subduction)樣式。隨著地幔溫度的逐漸降低，板塊俯沖的樣式才轉(zhuǎn)變成現(xiàn)在的持續(xù)性的俯沖(Continuous subduction)，表現(xiàn)為大洋板塊沿匯聚型板塊邊界持續(xù)性地循環(huán)至地幔中(Moyen and Van Hunen, 2012; Sobolev and Brown, 2019; 李曙光, 2019)。b-c顯示的始板塊構(gòu)造，已經(jīng)明確了橫向運(yùn)動(dòng)和洋陸的相互作用，但是含BIF巖層的下沉是主要原因，沒有地幔對(duì)流和洋脊擴(kuò)張等機(jī)制起主導(dǎo)作用的表現(xiàn)。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在～2.5Ga的克拉通化和超級(jí)克拉通(群)形成后，始板塊構(gòu)造(Eo-platetectonics)并沒有繼續(xù)進(jìn)行，而是被一個(gè)長達(dá)2～3億年的構(gòu)造靜寂期取代了(Condie, 2001)。這個(gè)時(shí)期地球發(fā)生了重大的變化，即地幔的活動(dòng)引起全球裂谷和冰期事件(休倫裂谷-休倫冰期)，并導(dǎo)致大氧化事件，以蘇必利爾型BIF、紅層、碳質(zhì)沉積、碳酸鹽省等特殊沉積建造，使地球在生命演化史上演出劃時(shí)代一幕(Schidlowski, 2001; Lyons and Reinhard, 2009)。華北的大氧化事件期間的地質(zhì)研究相對(duì)薄弱(Tang and Chen, 2013; Chen and Tang, 2016; Pengetal., 2017)。在休倫裂谷基礎(chǔ)上超級(jí)克拉通的破裂(層侵紀(jì)Rhyacian)導(dǎo)致了全球性的活動(dòng)帶造山事件(造山紀(jì)Orosirian)。華北克拉通與此相對(duì)應(yīng)的是滹沱(呂梁)運(yùn)動(dòng)，Zhai (2004)稱之為古元古代裂谷-俯沖-碰撞事件，其機(jī)制就是上面討論的早期板塊構(gòu)造后發(fā)生的元古代板塊構(gòu)造(Brown, 2008)。

在這里還要強(qiáng)調(diào)的是，早期板塊構(gòu)造和相應(yīng)的造山事件發(fā)生后，地球仍然沒有表現(xiàn)出顯生宙的地幔對(duì)流、洋中脊擴(kuò)張和俯沖帶發(fā)育的造山過程，說明現(xiàn)代板塊構(gòu)造的機(jī)制還沒有主導(dǎo)地球的運(yùn)動(dòng)。圖12h顯示出，在早期板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)的巖漿-變質(zhì)作用結(jié)束后，地球出現(xiàn)了約1.0Gyr的漫長的歷史時(shí)代，被稱為地球演化的調(diào)整期或地球環(huán)境的無聊期(the boring billion, 趙宗溥, 1993; Holland, 2006; Prokophetal., 2004; Cawood and Hawkesworth, 2014)。在這約10億年的時(shí)間內(nèi)，華北克拉通發(fā)生了多期地?；顒?dòng)，表現(xiàn)出相應(yīng)的巖漿活動(dòng)(巖墻群或火山巖)和裂谷，這個(gè)時(shí)期還出現(xiàn)了全球的雪球事件和新元古代氧化事件，是巖石圈進(jìn)一步的調(diào)整的過程。直至大約750Ma之后，巖石圈調(diào)整到與現(xiàn)在相似的結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，從南華裂谷為代表的羅迪尼亞裂解，可能開啟了現(xiàn)代板塊構(gòu)造機(jī)制的動(dòng)力學(xué)體系(Zhaietal., 2015)。

4 展望與建議

可以預(yù)期在較長的時(shí)間內(nèi)，大陸演化與早期板塊構(gòu)造仍將是地球科學(xué)的學(xué)科前沿與熱點(diǎn)?！暗厍虻陌鍓K構(gòu)造與大陸”在2008年3月美國國家研究理事會(huì)歷時(shí)數(shù)年完成的《地球的起源和演化：變化行星的研究問題》被列為10個(gè)重大科學(xué)研究問題中的第五個(gè)問題?！禨cience》雜志在最近慶祝創(chuàng)刊125周年之際，提出了125個(gè)挑戰(zhàn)性科學(xué)問題，關(guān)于宇宙和地球的問題占16%，其中“地球內(nèi)部如何運(yùn)行”排名第十。

(1)在今后研究中建議強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)地質(zhì)工作與先進(jìn)的分析手段和儀器平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫與數(shù)值模擬工作緊密結(jié)合，已有的大量基礎(chǔ)地質(zhì)資料的系統(tǒng)性整理(數(shù)字化程度不夠高)與國內(nèi)外新的數(shù)據(jù)的收集并重。學(xué)科的交叉在早前寒武紀(jì)的地質(zhì)研究中至關(guān)重要。

(2)加強(qiáng)大陸地殼的形成與生長(generation and growth)的研究：(i)對(duì)冥古宙至早太古代之前的地質(zhì)資料積累較少，研究難度大，但卻是與行星對(duì)比研究結(jié)合最緊密的課題；(ii)3.0～2.9Ga之前的大陸生長方式；(iii)新太古代陸殼生長達(dá)到峰值的殼幔交換以及熱、地幔水等的作用。

(3)大陸多階段演化、物質(zhì)和結(jié)構(gòu)、殼幔的物質(zhì)循環(huán)等研究是探索大陸巖石圈在何時(shí)以及如何構(gòu)建的必要手段和路徑?，F(xiàn)代巖石圈的形成是現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)的基礎(chǔ)和必要充分條件，對(duì)此的認(rèn)識(shí)與研究還相當(dāng)薄弱。應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地球兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)段新太古代-古元古代和新元古代中-晚期的研究工作，與其相應(yīng)的是早期板塊構(gòu)造和現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)的巖石圈組成、結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，包括大陸巖石圈的規(guī)模以及與大洋巖石圈的關(guān)系、物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)、圈層狀態(tài)與界面、物理性質(zhì)、以及流體與熱的狀態(tài)和傳導(dǎo)方式等。

(4)兩個(gè)關(guān)鍵靜寂期及相應(yīng)的兩個(gè)地球環(huán)境事件(大氧化事件和新元古代雪球與氧化事件)的原因、內(nèi)涵與機(jī)制、以及在這兩個(gè)時(shí)期早期生命跳躍變化的環(huán)境背景支撐的研究。兩個(gè)靜寂期實(shí)質(zhì)上是地球構(gòu)造演化歷史中兩個(gè)轉(zhuǎn)換期(transit period, Brownetal., 2020a)，至今的研究對(duì)它們的了解甚少，但其沉積建造的記錄十分豐富。

(5)古老大洋的遺跡、熔融殘留等的識(shí)別，以及古老大洋的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)以及它們隨地質(zhì)時(shí)代的演化的研究。目前對(duì)古大洋的了解比大陸的研究膚淺得多，研究難度也大得多。

(6)研究已經(jīng)表明地球有一個(gè)動(dòng)態(tài)的進(jìn)化的過程(圖18, Cawood，2020a)。 地質(zhì)學(xué)家要深刻理解“evolution”一詞蘊(yùn)藏的進(jìn)化含義。達(dá)爾文曾說生命進(jìn)化life evolution來源于萊伊爾mineral evolution的靈感啟發(fā)。板塊構(gòu)造是地球演化到某個(gè)階段的產(chǎn)物，是現(xiàn)代地球科學(xué)的leading science，它也必將隨著地球熱狀態(tài)的演化逐漸變冷，并在將來某一天消亡。“現(xiàn)在是過去的鑰匙”的研究理念需要完善與更新，代之以地球進(jìn)化Earth evolution的理論思維。早期板塊構(gòu)造的研究不僅對(duì)理解地球的過去是關(guān)鍵的，對(duì)于理解現(xiàn)代的大陸構(gòu)造，以及未來地球都是不可替代的。

圖18 地球隨地質(zhì)時(shí)代的演化圖解(據(jù)Cawood, 2020a)

(7)作者還建議，在研究中努力“證實(shí)”的同時(shí)要注意發(fā)現(xiàn)問題和發(fā)現(xiàn)差別，特別提倡“證偽”，這將為認(rèn)識(shí)未知打開一扇創(chuàng)新之門。推陳出新，不囿前說，不迷信、不盲從、不輕率，是需要踏實(shí)和勇氣的。

致謝本文致謝國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“大陸地殼演化與早期板塊構(gòu)造”(項(xiàng)目號(hào)41890834)的主要骨干成員的幫助，課題組的部分研究生幫助繪制了文中的圖件; 趙國春院士和趙振華研究員對(duì)文章進(jìn)行了評(píng)審給出了很好的修改意見；在此一并感謝。