刘双良等-Geology: 碳酸岩和金伯利岩记载暴-露地球的热-结构协同演变

ltb2003

地球存在多个圈层，但不同圈层间互相耦合，使得地球热和结构作为总体进行演变，这类演变进程影响了地球表里圈层互相作用的形式，而表里圈层的互相作用又与地表生物圈非亲非故。
一些观念以为地球的演变存在长时间趋向。例如，岩石和成矿作用类型产生变动、地幔长时间冷却、结构体制由非板块结构转变成板块结构等；也有一些观念以为地球的演变可能存在一些短时间的周期，例如间歇频发的碎屑锆石记载、超大陆旋回假说（反复泛起的大陆集中聚合与裂解）等。这些探讨均关乎地球的热和结构演变，例如，板块结构启动时间？中元现代结构体制？超大陆旋回是不是存在？其继续时间又会束缚板块结构网络造成的最小时间等。那末地球的热和结构演变到底合乎怎么样的法则？要探索这一问题就需求找到适合的地质记载，且这些记载还需知足：（1）与地球的热和结构相干；（2）可以反应表里圈层的互相作用；（3）既拥有一阶趋向又能够探访二阶韵律。
次大陆岩石圈地幔（SCLM）是地球表里互相作用的界限层，既对地球外部热敏感，也与内部圈层结构体制相干，它奉献的两种不同的富挥发分岩石（碳酸岩和金伯利岩）能够回升到地表并保存上去。这使得这两种成因上类似、与热和结构相干、均拥有一阶长时间趋向和二阶周期韵律的岩石记载能够相互反对，并可作为探索地球热-结构演变史的绝佳着手点。
要使用这样的岩石记载来探索地球热-结构演变还需求解决两个问题：（1）需求牢靠的春秋数据集；（2）岩石记载反应实在状况仍是保留偏差？
中国迷信院地质与地球物理钻研所博士钻研生刘双良在导师范宏瑞钻研员以及Ross N. Mitchell钻研员的指点下，基于Woolley和Kjarsgaard于2008年给出的碳酸岩数据集，搜集汇总了最新的寰球碳酸岩春秋数据集，并将其与Tappe等2018年编辑的金伯利岩春秋数据集进行比较，绘制出了频数散布图（图1和图2）。首先探讨并排除了各种偏差关于两种岩石记载存在明显影响的可能，以为这些岩石记载能够反应这两种岩石在地质历史上产出的实在状况。


图1 拥有牢靠春秋的碳酸岩和金伯利岩寰球散布图（金伯利岩数据来自Tappe et al., 2018）
接上去经过对频数散布曲线进行剖析发现，两者拥有类似的幂率散布（图2），这与以后正在探讨的金伯利岩一阶长时间趋向反应地幔长时间冷却仍是10亿年摆布地球结构体制转变相统一。一个天然而然的推想是，假如影响要素是实在存在的，它应该在一阶长时间趋向和二阶韵律中均有体现，而且在成因上类似的碳酸岩也应该拥有相反的法则。基于这项斟酌，去掉了两种岩石记载的一阶趋向，并对他们去趋向后的颠簸曲线进行了频谱剖析（图3）。后果标明，两者拥有统一的颠簸和超大陆旋回周期（400-800 m.y.），二阶韵律与超大陆旋回的耦合明白了结构是两种岩石记载的首要影响要素。


图2 碳酸岩和金伯利岩频数散布图。含有1σ相信带的频数散布曲线用实线表现；拟合的幂函数趋向线用虚线表现。外部小图为对数坐标的频数散布图


图3 （a）去趋向的碳酸岩和金伯利岩春秋频数散布曲线与超大陆时间和去趋向的羽流玄武岩均匀ΔMgO曲线比较图；3.0～1.2Ga的金伯利岩曲线被缩小；（b-c）去趋向的碳酸岩和金伯利岩曲线多锥度（MTM）能量谱剖析后果
进一步将两种岩石记载的颠簸与超大陆相态和羽流玄武岩△MgO值（高值代表地幔相对于低温，低值反应地幔相对于较冷）进行比较，发现两者颠簸的峰值总对应岩石圈地幔相对于较冷和爬升带长度/通量/板块静止速率相对于较大的超大陆间期，而且他们的一阶趋向和二阶韵律以及互相瓜葛对统计参数的选择不敏感。
基于以上剖析，进一步探讨了这两种岩石关于爬升和地幔冷却的显著依赖性，以及地幔温度和板块爬升互相耦合的外在逻辑，断定热和结构这两种外在耦合的要素影响了这两种岩石的造成，进而得出碳酸岩和金伯利岩是地球20亿年来热-结构协同演变的间接岩石记载。这一记载唆使了超大陆旋回的存在、最少20亿年前板块结构网络的造成以及约10亿年前结构体制向古代板块深爬升的转变（图4）。


图4 碳酸岩和金伯利岩岩石记载的趋向和韵律所反应的2.0-0 Ga地球热和结构协同演变模型
钻研效果颁发于国内学术期刊Geology（刘双良，马琳，邹心宇，秦奔，Aleksey E. Melnik, Uwe Kirscher，杨奎锋，范宏瑞*, Ross N. Mitchell*. Trends and rhythms in carbonatites and kimberlites reflect thermal–tectonic evolution of Earth. Geology, 2023. DOI: 10.十一30/G50775.1）。该钻研受国度天然迷信基金名目和中国迷信院地质与地球物理钻研所重点部署名目赞助。


美编：陈菲菲
校对：万鹏（地质地球所）