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地质地球所提出古元古代Nuna超大陆重建新认识

地质地球所提出古元古代Nuna超大陆重建新认识

  1915年,魏格纳通过古生物证据、大地测量数据以及横跨大陆分布的冰碛岩推测全球所有大陆可以拼合成为一个超级大陆。现代地球科学研究证实了魏格纳的猜想,并注意到超大陆的聚散与深部地幔物质循环、浅部资源能源分布及表层环境气候变化都密切相关,因此超大陆的重建对于准确理解地球的演化规律非常重要。已有资料表明,地球在演化过程中至少存在过三次超大陆聚散作用,分别是古元古代晚期(约18亿年前)的Nuna超大陆(也被称为哥伦比亚超大陆)、新元古代(约8亿年前)的罗迪尼亚(Rodinia)超大陆和晚古生代(约3亿年前)的潘基亚幸运28(Pangea)超大陆。

  众所周知,地学研究受限于研究对象。由于板块的持续运动,古老并保存有原始信息的岩石十分匮乏,严重制约了人类对于古老地球的认知。3亿年前的潘基亚超大陆重建尚可由多种学科手段共同约束,而两个前寒武纪的超大陆明显缺乏古生物学的约束,此外古元古代的Nuna超大陆比新元古代的罗迪尼亚超大陆更加古老,且经历后期两次超大陆聚散的改造,因幸运28 此研究对象十分有限。综合上述原因,Nuna超大陆的重建过程困难重重,不确定性最大(图1)。华北古陆块是全球最古老的陆块之一,然而它与哪个古陆块相连,在Nuna超大陆处于何种位置目前仍存多种假说。

  针对以上科学问题,在科技部“973”计划课题和基金委重大项目的资助下,中国科学院地质与地球物理研究所特提斯研究中心大地构造学科组的副研究员万博、研究员肖文交、副研究员张继恩和合作者采用传统地质学方法,自2012年起连续三年对零星出露于内蒙古腾格里沙漠内的华北古老岩石进行大比例尺地质填图,旨在厘清该套岩石与周围岩石的构造接触关系。他们通过精细岩石学及精确的年代学分析,首次证明该套岩石在19亿年至18.2亿年之间经历了俯冲-折返的地质过程,俯冲深达地下80km;通过全球对比发现该套岩石与位于西伯利亚克拉通西南缘的一套杂岩体在同一时期经历了近乎相同的演化历史(图2)。

  如此相似的岩石组合和演化历史使他们推测华北北缘和西伯利亚西南缘在古元古代发生过大陆碰撞作用,而高压岩石出露的位置则标示了两个古大陆发生碰撞的位置,该高压岩石的折返很可能是由于增生楔的挤出作用所造成,暗示古元古代时期的板块构造和现代地球已经非常类似(图3)。

  西伯利亚、东欧和北美古陆块共同构成Nuna超大陆的核心,已有的各种超大陆重建方案中由于难以确定华北古陆的位置,因此均将华北置于超大陆的周缘位置。该项研究通过地质证据将华北和西伯利亚古陆相连,因此在重建的Nuna超大陆中,华北古陆将处于Nuna超大陆的中间位置(图4)。

  该研究将促使人们思考地球早期的构造演化如何过渡到现今的构造格局以及华北古陆如何参与到地球早期的重大地质事件当中。上述研究成果于9月21日发表于Nature Communications(Wan et al. 2015. 幸运28Paleoproterozoic high-pressure metamorphism in the northern North China Craton and implications for the Nuna supercontinent. Nature Communications, 6: 8344, doi: 10.1038/ncomms9344)。

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图1 超大陆重建示意图 

图2 华北北缘与西伯利亚西南缘高压石榴辉石岩温度-压力变质轨迹 

图3 古元古代晚期华北与西伯利亚发生大陆碰撞作用 

 

图4 古元古代晚期Nuna超大陆重建图