重要科學(xué)前沿：前寒武紀(jì)克拉通地質(zhì)演化

翟明國(guó)

（中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所／中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京）

地球約有46億歲，以5.42億年的寒武紀(jì)為界，之前約40億年的地質(zhì)時(shí)代稱為前寒武紀(jì)，古老的穩(wěn)定大陸塊體稱為克拉通。地球上何時(shí)出現(xiàn)初始陸殼，它是如何生長(zhǎng)并形成穩(wěn)定大陸的，是固體地球科學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。前寒武紀(jì)（5.4億年前）是陸殼形成、生長(zhǎng)、殼幔圈層分異耦合（克拉通化）并形成穩(wěn)定陸塊（克拉通）的階段，表現(xiàn)為漫長(zhǎng)時(shí)間尺度上的一系列重大地質(zhì)事件。揭示這些事件的性質(zhì)和過(guò)程，認(rèn)識(shí)大陸形成和早期演化的特殊規(guī)律，對(duì)于理解大陸動(dòng)力學(xué)以及未來(lái)的地球命運(yùn)都具有重要意義。

作為地球的近鄰，月球的陸殼主要由斜長(zhǎng)巖組成，它的年齡是44.6億年。月海是隕石撞擊坑中月幔部分融化來(lái)的玄武質(zhì)巖石。從地球分離出來(lái)的硅酸鹽巖漿洋通過(guò)結(jié)晶分異可以直接形成斜長(zhǎng)巖。目前已有的地球上地殼的最古老物質(zhì)記錄，是澳大利亞Jack Hill太古宙沉積礫巖中的碎屑鋯石，它的年齡是～44.5億年，鋯石來(lái)自富鈉質(zhì)的花崗巖（TTG片麻巖），也就是說(shuō)，以花崗質(zhì)巖石為代表的地球上的陸殼巖石至少在44.5億年前就已經(jīng)存在，和月殼的年齡相似。值得注意的是，TTG片麻巖不能直接從地幔中熔融出來(lái)。很多人假設(shè)地球應(yīng)該先有大洋，然而至今沒(méi)有找到能被科學(xué)界公認(rèn)的代表古老大洋的巖石。

大陸的形成演化大致可以分為以下幾個(gè)階段：地球核幔的分異以及初期的硅酸鹽洋；38億年前有規(guī)模的早期陸殼的形成；巨量的陸殼形成期，到25億年前出現(xiàn)穩(wěn)定大陸（超級(jí)克拉通）；25億～23億年前，一個(gè)特殊的地球演化的“靜止”階段，而后是大氧化事件，使地球有了富氧的大氣圈層和海洋圈層，促成了生物的發(fā)育和演化，以及初始的造山帶活動(dòng)，指示地球“早期板塊構(gòu)造”的啟動(dòng)；18億～7億年前的地球“中年期”，長(zhǎng)達(dá)10億年之久的地球穩(wěn)定階段，直至大規(guī)模的地幔柱活動(dòng)、裂谷事件、雪球事件，然后進(jìn)入顯生宙，即地球進(jìn)入現(xiàn)代板塊構(gòu)造階段。大陸的演化涉及了幾乎所有固體地球的科學(xué)問(wèn)題，研究熱點(diǎn)主要包括：1）早期洋殼、陸殼的形成機(jī)制；2）早期陸殼的物質(zhì)組成以及成熟化過(guò)程；3）早期地殼熱體制與板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)代；4）大陸成礦作用的時(shí)代屬性與不可重復(fù)性；5）早期地球環(huán)境與生命協(xié)同演化；6）與現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)和比較行星學(xué)的結(jié)合，孕育著嶄新的學(xué)科——地球未來(lái)過(guò)程學(xué)，它將瞄準(zhǔn)地球演化到老年時(shí)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與地球環(huán)境。

華北克拉通是中國(guó)面積最大、形成演化時(shí)代最長(zhǎng)、變質(zhì)最強(qiáng)烈的穩(wěn)定陸塊，也是世界上最具代表性的克拉通之一。中國(guó)學(xué)者通過(guò)多年努力，在華北克拉通早期陸殼的生長(zhǎng)、克拉通的形成和早期演化等方面有重要發(fā)現(xiàn)和系統(tǒng)性成果，成為中國(guó)地質(zhì)科學(xué)在世界上為數(shù)不多的領(lǐng)先研究領(lǐng)域之一，受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，為早期大陸形成演化和構(gòu)造體制增添了新的科學(xué)內(nèi)涵。其代表性研究成果有：1）厘定華北克拉通發(fā)生了多期陸殼增生事件，經(jīng)歷了兩期克拉通化，建立了早期陸殼演化的構(gòu)造格架，特別是25億年的克拉通化事件及其全球意義受到國(guó)際學(xué)界的極大關(guān)注。2）在華北克拉通首次發(fā)現(xiàn)了可以作為塊體聚合標(biāo)志的高壓變質(zhì)巖，包括高壓麻粒巖和退變榴輝巖。通過(guò)對(duì)這些高壓巖石的系統(tǒng)調(diào)查和研究，揭示了大陸俯沖—碰撞—抬升的完整造山過(guò)程，該過(guò)程最后完成于19億～18億年前。此成果為確定地球早期板塊構(gòu)造機(jī)制的啟動(dòng)提供了依據(jù)，把板塊構(gòu)造的起始時(shí)間提前了約8億年，為構(gòu)造單元的劃分和早期拼合模式的建立奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3）在華北克拉通構(gòu)建了目前世界上最完整的前寒武紀(jì)下地殼地質(zhì)剖面，闡明了地殼垂向分異對(duì)穩(wěn)定大陸形成的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)認(rèn)識(shí)和歸納了早期陸殼形成演化的特殊規(guī)律，包括27億～25億年前陸殼物質(zhì)的多期生長(zhǎng)與改造、25億年前微陸塊拼合、22億～19億年前復(fù)雜裂谷-碰撞等，創(chuàng)新地提出了多階段克拉通化的概念。4）提出華北克拉通18億年基性巖墻群及相關(guān)的大火成巖省事件標(biāo)志著華北進(jìn)入地臺(tái)型演化階段。厘定了中-新元古代的巖漿-裂谷沉積系列，揭示了中-新元古代在現(xiàn)代巖石圈構(gòu)建過(guò)程中的重要意義。5）首次系統(tǒng)地總結(jié)了大陸形成以來(lái)的固體礦產(chǎn)資源隨時(shí)代演化的特性以及不可重復(fù)性，剖析了資源與地殼演化的密切關(guān)系。6）探討了地球的熱體制對(duì)構(gòu)造演化機(jī)制的制約作用，提出了前板塊構(gòu)造、初始板塊構(gòu)造和現(xiàn)代板塊構(gòu)造的理論假說(shuō)。