地空学院许成、张立飞和费英伟联合团队合作发现古元古代现今板块构造的岩石学证据

板块构造是地球区别与其它太阳系类地行星的重要特性，不仅影响地幔组成的演化，而且控制着地球的水圈和大气圈。然而现今板块构造启动的时间和机制迄今仍然存在较大分歧。当代板块俯冲过程中，俯冲板块遭受高压/超高压变质作用, 通常相变为蓝片岩或中低温榴辉岩等高压/超高压变质岩石。少量板块上部的沉积物也将随之俯冲至地幔深部，它们对地幔源区的氧化-还原环境、物质组成以及岩浆形成扮演偏重要作用。华北克拉通是我国面积最大、形成演化时代最长、变质最强烈的陆块，也是世界上代表性克拉通之一，记录了几乎所有的地球早期发生的庞大构造事件。地球与空间科学学院许成研究员、张立飞教授和费英伟教授合作首次在我国华北中部造山带的丰镇碳酸岩内识别出极稀疏的厘米级榴辉岩捕虏体。为了计算榴辉岩的峰期变质条件，通过基质中金红石的锆温压计、石榴石-单斜辉石-多硅白云母压力计和Na₂O-CaO-K₂O-FeO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-H₂O饱和水条件下使用THERMOCALC程序计算得到的P-T图解，获得榴辉岩峰期矿物组合石榴石+绿辉石+蓝晶石在2.5-2.8GPa和650-670℃的稳固范围，对应250(±15)℃GPa^-1的低温古俯冲带地热梯度（见图1），行使茕居石U-Th-Pb定年方法测定的榴辉岩变质时代为1839-1766Ma, 这是迄今为止记录的最“冷”的古元古代俯冲带低温高压变质作用，与很多在显生宙大洋俯冲带（<350℃ GPa-1）折返的显生宙低温高压变质带类似。同时丰镇碳酸岩的δ¹⁸O_V-SMOW和δ¹³C_V-PDB值（分别为9.4_~15.8 ‰和-5.7_~-1.6 ‰）显明高于正常地幔岩石和地幔初始碳酸岩。它们具有极低的εNd(t)值（-5.8至-7.8）和高的初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.7028–0.7037)。上述地球化学证据表现碳酸岩的地幔源区含有俯冲的地壳物质。在全球范围内，古元古代俯冲带低温高压变质作用最近在西非和北美克拉通也有报道。华北中部造山带内古元古代碳酸岩及其榴辉岩捕虏体的发现直接将碳酸岩和 “冷”的板片俯冲作用联系起来。图2表现了全球古元古代碳酸岩与造山带内古元古代麻粒岩与榴辉岩有着紧密联系。虽然至今只有三处古元古代低地温梯度被报道，但是“冷”的深俯冲作用可能在古元古代特别很是普遍，只是全球的低温记录可能很容易被后来陆内碰撞所产生的高温变质作用覆盖。

图1 华北中间造山带碳酸岩内榴辉岩捕虏体(a)及其峰期温压(MP1和MP2)视剖面图(b)：Grt, 石榴石；Omp, 绿辉石；Zo, 黝帘石；Q, 石英；Phen, 多硅白云母；Rt, 金红石

图2 全球古元古代碳酸岩、麻粒岩和榴辉岩分布图

联合团队去年在《科学进展》(Xu et al., 2017, Science Advances 3: e1601589)上报道了在该地区碳酸岩内发现的地幔过渡带(>400km)来源的超硅石榴石包体，它们具有非常高的三价铁(Fe ³⁺ /∑Fe_~0.81)。此项古元古代当代板块构造启动的岩石学证据，进一步注解地球早期已存在地壳物质深俯冲进入地幔，从而导致地幔深部碳循环。

此项研究成果于7月17日发表在Nature Communications上，许成、张立飞和费英伟为共同通信作者，许成为第一作者。捷克孟德尔大学Jindřich Kynický副教授和宋文磊博士、美国卡内基地球物理研究所陶仁彪博士以及地空学院的吕增副教授等参与了此项工作，该成果获得国家天然科学基金委和美国卡内基研究所资助。

编辑：麦洛