晚新元古代—早寒武世現(xiàn)代板塊構(gòu)造與現(xiàn)代地球系統(tǒng)的建立

姚金龍,趙國(guó)春，2,韓以貴,劉潛,余珊,Simon Williams,何艷紅,李陽(yáng)

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.香港大學(xué) 地球科學(xué)系,中國(guó) 香港)

板塊構(gòu)造理論是統(tǒng)領(lǐng)地球科學(xué)的方法論[1-7],它的誕生推動(dòng)了地球科學(xué)里程碑式的變革,從根本上改變了地球科學(xué)家認(rèn)識(shí)地球演化的方式。板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)地球巖石圈、大氣圈、水圈和生物圈內(nèi)物質(zhì)與能量的循環(huán),決定碳、氧、磷、鐵等關(guān)鍵生命元素的富集與循環(huán),富集人類賴以生存的資源能源。但是,板塊構(gòu)造并非和地球與生俱來(lái)。其自約46億年前開(kāi)始,從熾熱巖漿海到殼幔分異形成軟蓋層或停滯蓋層構(gòu)造(前板塊階段)[8-9],到晚太古代板塊構(gòu)造啟動(dòng)后的熱俯沖、淺俯沖為特點(diǎn)的早期板塊構(gòu)造階段[9-15],到俯沖活動(dòng)可能相對(duì)停滯的中元古代地球中年期[15-17],再到可能開(kāi)始于新元古代的以大陸深俯沖為標(biāo)志的現(xiàn)代板塊構(gòu)造[18-22],經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程(見(jiàn)圖1)。此外,由地幔溫度、板片強(qiáng)度控制的馬里亞納型(Mariana型)大洋初始俯沖同樣在新元古代開(kāi)始出現(xiàn)[22]。新元古代—顯生宙之交不僅是板塊構(gòu)造演化歷史上的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn),更是表生圈層演化的重要節(jié)點(diǎn)。這一時(shí)期，大氣氧含量顯著提高,逐漸接近現(xiàn)代水平[23-26],與此同時(shí),出現(xiàn)了多細(xì)胞無(wú)脊椎動(dòng)物門類[27-31](見(jiàn)圖1)。由此引發(fā)了諸多困擾地球科學(xué)界的重大科學(xué)問(wèn)題,其中包括現(xiàn)代意義上的板塊構(gòu)造何時(shí)啟動(dòng)、建立?現(xiàn)代地球系統(tǒng)何時(shí)建立?巖石圈與表生圈層的耦合機(jī)制是什么?近年來(lái),構(gòu)造-氣候-地表三者之間的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制研究進(jìn)展迅速,成為世界范圍的一個(gè)研究新熱點(diǎn),并在災(zāi)害、資源、環(huán)境和氣候變遷、地球宜居性演化等研究領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 板塊構(gòu)造演化及其與超大陸聚合裂解的耦合

地幔溫度決定了巖石板片的強(qiáng)度,進(jìn)而決定了板塊構(gòu)造的樣式[18]。但是，最新研究成果表明,富水沉積物的貢獻(xiàn)同樣不可忽略：俯沖通道的富水沉積物能夠顯著降低俯沖的摩擦系數(shù)(可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)),大幅度提高俯沖速率[32]。較快的俯沖速率不僅能保持俯沖帶的穩(wěn)定,還能保持地幔的不均一性,從而有效保持地幔對(duì)俯沖板片的拉拽力,維持板塊構(gòu)造體制。在晚太古代,隨著地幔溫度的下降(ΔT<250°C，現(xiàn)今地幔溫度與當(dāng)時(shí)地幔溫度差),板片強(qiáng)度增強(qiáng),早期形式的板塊構(gòu)造可能已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)在地球上[9-14,18](見(jiàn)圖1)。古元古代休倫冰期之后,強(qiáng)烈的冰川剝蝕作用為俯沖帶提供了大量的沉積物,俯沖帶富水沉積物誘發(fā)的早期板塊構(gòu)造達(dá)到全板塊尺度[32]。但是,隨后地球進(jìn)入俯沖活動(dòng)相對(duì)停滯的中年期階段,雖然這一時(shí)期非俯沖帶巖漿活動(dòng)依然強(qiáng)烈[15,17,19]。在新元古代—寒武紀(jì)岡瓦納(Condwana)大陸聚合階段[22,33-36],隨著地幔溫度進(jìn)一步下降(ΔT< 80～100℃),巖石圈板片強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),以低T/P比值的超高壓變質(zhì)巖為標(biāo)志的現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)[18-22](見(jiàn)圖1)。此時(shí),巖石圈板片已經(jīng)能夠俯沖到地幔深部。除此之外,這一時(shí)期還發(fā)生了3次新元古代冰期(斯圖特Sturtian, 馬瑞諾Marinoan, 噶斯厄斯Gaskiers)、陸弧規(guī)模擴(kuò)大,以及岡瓦納大陸實(shí)現(xiàn)了階段性聚合等重大地質(zhì)事件[28]。隨著岡瓦納大陸的聚合,大陸內(nèi)部形成了超過(guò)8 000 km的造山帶,造山作用從670 Ma一直持續(xù)到500 Ma，局部陸塊最晚持續(xù)到440 Ma。這些多階段造山作用和冰期的結(jié)束，為海洋和俯沖帶補(bǔ)給了大量的沉積物[25-26],促進(jìn)了現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制的啟動(dòng)與建立[22]。與此同時(shí),新元古代—寒武紀(jì)同時(shí)記錄了表生環(huán)境與生命演化的重大事件[24-29](見(jiàn)圖1)。但是，這一時(shí)期板塊構(gòu)造體制與表生環(huán)境之間的耦合機(jī)制不明,是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的難點(diǎn)。

板塊構(gòu)造的演化推動(dòng)了大陸巖石圈運(yùn)動(dòng),在地球歷史上形成了多個(gè)超大陸。地球演化到某一特定時(shí)期時(shí),地球上所有的大陸板塊聚合到一起形成一個(gè)超級(jí)大陸,稱為超大陸(Supercontinent);而未包括所有大陸板塊的小型超大陸則稱為巨大陸(Megacontinent)[37-39]?，F(xiàn)有資料表明,地球演化歷史中形成過(guò)少數(shù)幾個(gè)超大陸或巨大陸,包括凱諾蘭(Kenorland，2.7～2.5 Ga?)、努納或稱可倫比亞((Nuna， Columbia，1.9～1.8 Ga)、羅迪尼亞(Rodinia,1.0～0.8 Ga)、岡瓦納(Gondwana,0.68～0.43 Ga)、盤古(Pangea,0.25 Ga)[33-44]。超大陸聚合的本質(zhì)毫無(wú)疑問(wèn)是板塊構(gòu)造,但是超大陸裂解的機(jī)制目前仍然存在較大分歧,存在周緣俯沖和地幔柱兩種主要觀點(diǎn)[45-47]。值得一提的是,即使地幔柱裂解模型也不能否認(rèn)板塊構(gòu)造對(duì)于超大陸裂解的重要性,新的大洋的打開(kāi)只能通過(guò)俯沖帶消減掉已有的大洋來(lái)實(shí)現(xiàn),從而進(jìn)入一個(gè)新的威爾遜旋回。如果不存在板塊構(gòu)造,超大陸只能通過(guò)地球體積表面積的收縮與膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn),但并未有證據(jù)表明地球體積發(fā)生過(guò)明顯變化。所以,自板塊構(gòu)造理論誕生以來(lái),超大陸研究同樣是國(guó)際地球科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿與熱點(diǎn),逐漸成為重建大陸地殼演化歷史、發(fā)展板塊構(gòu)造與造山帶理論的切入點(diǎn),也是理解大陸演化過(guò)程中礦產(chǎn)資源形成和能源分布的重要窗口。更為重要的是,板塊構(gòu)造演化引起的超大陸/古大陸聚合與裂解事件,往往與表生圈層的極端事件相吻合(見(jiàn)圖1);但是在作用機(jī)制研究方面仍有一系列重大科學(xué)問(wèn)題尚未得到解決,在合理解釋超大陸聚合與裂解的地質(zhì)過(guò)程與全球變化及生命演化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)等方面，仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。超大陸聚合與裂解引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)一直是國(guó)際地球科學(xué)研究的薄弱點(diǎn)，目前僅有的概念模型研究主要集中在盤古超大陸和岡瓦納大陸聚合階段[25-26, 44]，對(duì)前寒武紀(jì)超大陸聚合與裂解的環(huán)境效應(yīng)及其作用機(jī)制的研究仍然存在較大的空白。

圖1 地球多圈層演化指標(biāo)隨時(shí)間變化規(guī)律(據(jù)參考文獻(xiàn)[22])Fig.1 Stages of geodynamic regimes with respect to ages of Mariana-type subduction initiation ophiolites and evolution of Earth′s geological and surficial proxies

2 馬里亞納型(又稱IBM)大洋初始俯沖蛇綠巖的時(shí)空分布與洋洋俯沖帶形成的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

俯沖起始是形成俯沖帶的關(guān)鍵,也是板塊構(gòu)造體制不可或缺的單元。地球歷史上，板塊構(gòu)造與俯沖帶存在的直接證據(jù)則是蛇綠巖。蛇綠巖中比較特殊的一類是馬里亞納型蛇綠巖,該型蛇綠巖記錄了沿著轉(zhuǎn)換斷層或者海底深大斷裂,因洋殼年齡不一致造成洋殼密度差,進(jìn)而垮塌形成俯沖帶的過(guò)程[48-50]。俯沖帶形成早期,由于地幔物質(zhì)減壓熔融,形成的產(chǎn)物(弧前玄武巖等)以MORB(mid-ocean-ridge basalt)型為特征；隨著俯沖帶的發(fā)育,俯沖帶流體開(kāi)始作用于地幔楔,因此中晚期產(chǎn)物(玻安巖等)則逐漸展示SSZ型(Supra-subduction zone)的特征,源區(qū)殘留體(橄欖巖)則隨著地殼單元的抽取越來(lái)越虧損難熔[51-55]。簡(jiǎn)言之,該型蛇綠巖記錄了從大洋中脊(MORB)向俯沖帶上盤(SSZ)演化的二元演化過(guò)程。來(lái)自地幔源區(qū)的火山巖序列是地幔源區(qū)不斷虧損與俯沖流體交代兩種地質(zhì)過(guò)程相互作用的結(jié)果,整個(gè)過(guò)程持續(xù)7～10 Ma[48-55]。數(shù)值模擬結(jié)果表明，洋洋俯沖帶形成的關(guān)鍵在于由地幔溫度控制的板片強(qiáng)度[56]。洋殼密度差形成的內(nèi)在垂向應(yīng)力是形成該型俯沖帶的動(dòng)力學(xué)機(jī)制[50]。馬里亞納型初始俯沖帶形成后，規(guī)模通?？蛇_(dá)上千公里[57]。但是，由于該型蛇綠巖形成于大洋中,大多隨著俯沖帶消亡,很少有保持在大陸上。

地球上已報(bào)道的馬里亞納型初始俯沖蛇綠巖包括形成于52 Ma的西太平洋伊豆-小笠原-馬里亞納(Izu-Bonin-Mariana)(IBM)和湯加(Tonga)蛇綠巖[50,52-53],100～90 Ma新特提斯蛇綠巖[54-55],335 Ma的古亞洲洋蛇綠巖[58],490～485 Ma阿卜拉鍥亞—加里東(Appalachian-Caledonian)蛇綠巖[59-60], 518 Ma南阿爾金木拉布拉克蛇綠巖,以及800～690 Ma阿拉伯—努比亞(Arabian-Nubian)蛇綠巖[61-63](見(jiàn)圖1)。馬里亞納型蛇綠巖主要產(chǎn)出于顯生宙,這表明新元古代以來(lái),特別到顯生宙,板片強(qiáng)度才足以支撐馬里亞納型大洋初始俯沖的出現(xiàn),其根本上受控于地幔溫度的持續(xù)下降[64],與板塊構(gòu)造體制的演化受同一種因素制約,二者之間存在緊密聯(lián)系。最老的馬里亞納型初始俯沖蛇綠巖與前人提出的現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間一致,這表明現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與馬里亞納型大洋初始俯沖的出現(xiàn)可能是同步的。值得注意的是,形成馬里亞納型大洋初始俯沖的確切地幔閾值目前尚無(wú)確切結(jié)論,亟需開(kāi)展數(shù)值模擬等定量化分析來(lái)確定。

3 早寒武世原特提斯洋初始俯沖與全球板塊構(gòu)造聯(lián)動(dòng)

岡瓦納古大陸(又稱南方古陸)由澳大利亞、南極、印度、非洲、亞馬遜、東亞陸塊群和眾多微陸塊在新元古代—早古生代拼合而成。其核心和南緣碰撞拼合造山帶主要形成于670～575 Ma和575～480 Ma兩個(gè)階段[36]。東亞陸塊群一直被認(rèn)為具有岡瓦納親緣性,但相關(guān)重建工作一直缺失,直到近年來(lái)才取得突破性進(jìn)展[38,65-68]。東亞陸塊群在拼合到岡瓦納大陸前，零散分布在原特提斯洋中,隨著原特提斯洋的關(guān)閉,眾多微陸塊逐漸拼合到岡瓦納大陸。但是，縱觀整個(gè)岡瓦納大陸的聚合過(guò)程,東亞陸塊群這一時(shí)期造山事件的時(shí)間明顯晚于岡瓦納主體拼合的時(shí)間(見(jiàn)圖2)。

東亞陸塊群蛇綠巖、變質(zhì)作用、巖漿作用和相關(guān)沉積地層記錄表明,原特提斯洋存在多個(gè)分支。主洋盆,即商丹—祁連—昆侖洋,西段西昆侖在大約533 Ma開(kāi)始俯沖[69-70],中段阿爾金—柴達(dá)木—祁連洋在525～520 Ma開(kāi)始俯沖[22, 66],而東段商丹洋在大約515 Ma開(kāi)始俯沖[67](見(jiàn)圖2)。原特提斯洋南支的南柴達(dá)木、華南印支、羌塘俯沖時(shí)間分別早于 550[71],490[72-74],535 Ma[75]。因此,原特提斯洋主洋盆在530～520 Ma開(kāi)始俯沖,且具有西早東晚的穿時(shí)特點(diǎn)。由此可知,原特提斯洋的主體洋盆初始俯沖發(fā)生在5.3～5.2億年前,這一事件與岡瓦納古大陸南緣、西緣的俯沖帶板片回撤相對(duì)應(yīng),因此在5.3～5.2億年前發(fā)生了一期全球范圍內(nèi)的構(gòu)造聯(lián)動(dòng)事件。這與岡瓦納大陸南緣發(fā)生于530～520 Ma的古太平洋板片回撤事件時(shí)間吻合[33,45],也與岡瓦納大陸西緣開(kāi)始于530 Ma的弧后擴(kuò)張事件相吻合[76-77](見(jiàn)圖2)。據(jù)此推測(cè)，在岡瓦納最終聚合階段(530～520 Ma),其周緣俯沖帶之間存在構(gòu)造上的聯(lián)動(dòng)。但是，岡瓦納周緣俯沖帶的性質(zhì)存在差異,因此并未造成岡瓦納大陸裂解。

圖2 Gondwana大陸聚合期間多階段造山及其周緣俯沖體系分布Fig.2 Reconstruction of Gondwana and subduction zones in its southern, western, and northern margins

4 新元古代—早寒武世現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制的啟動(dòng)與建立

530～520 Ma不僅發(fā)生了全球構(gòu)造聯(lián)動(dòng)事件與IBM型大洋初始俯沖的形成,還是溫度、壓力比值(T/P)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在此之后，T/P進(jìn)一步顯著下降，低T/P比的超高壓變質(zhì)巖大量出現(xiàn)[20],俯沖深度可達(dá)300 km[78]。此外,鋯石Hf-O同位素演化趨勢(shì)分別在早寒武世達(dá)到歷史最低點(diǎn)和最高點(diǎn)并隨后反轉(zhuǎn)(見(jiàn)圖1),這表明這一時(shí)間點(diǎn)地球地殼循環(huán)到達(dá)一個(gè)峰值[79]。不僅如此,被動(dòng)陸緣的數(shù)量在古生代同樣達(dá)到一個(gè)峰值[80]。海水Sr同位素比值亦然[81],但峰值相對(duì)滯后[81]。這些地質(zhì)與化學(xué)證據(jù)均指示俯沖活動(dòng),或者說(shuō)俯沖通量的峰值。國(guó)際上有學(xué)者提出了新元古代現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)這一認(rèn)識(shí),但目前仍然沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。本研究認(rèn)為，直到早寒武世，板片深俯沖通量的峰值出現(xiàn),才意味著現(xiàn)代板塊構(gòu)造的正式建立,換言之,深俯沖通量的峰值標(biāo)志著現(xiàn)代板塊構(gòu)造的最終建立?，F(xiàn)代板塊構(gòu)造的建立和全板塊的深俯沖極大地促進(jìn)了地球深部與表層物質(zhì)與能量的交換效率,造成地球降溫,并顯著促進(jìn)了地殼物質(zhì)的再循環(huán),形成了數(shù)量眾多的新被動(dòng)陸緣。因此，現(xiàn)代板塊構(gòu)造是促進(jìn)晚新元古代—寒武紀(jì)期間表生圈層劇變、促進(jìn)現(xiàn)代地球建立的一級(jí)驅(qū)動(dòng)力。

5 板塊構(gòu)造的內(nèi)驅(qū)動(dòng)力

現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與建立,導(dǎo)致板片,特別是大陸的深俯沖。根據(jù)地殼均衡補(bǔ)償理論,山根越深, 山脈必然越高。 研究表明，岡瓦納聚合過(guò)程中形成的造山帶長(zhǎng)度超過(guò)8 000 km[25],所以無(wú)論是海拔高度還是規(guī)模,晚新元古代—早古生代Gondwana聚合過(guò)程中形成的造山帶,在當(dāng)時(shí)地球上是史無(wú)前例的。這樣的巨型造山帶,能夠極大提升大陸的風(fēng)化剝蝕作用,為俯沖帶提供了大量的沉積物。這些俯沖帶的富水沉積物又能提高俯沖速率,保持俯沖作用乃至全球板塊構(gòu)造的穩(wěn)定。這表明，板塊構(gòu)造的演化存在內(nèi)驅(qū)動(dòng)力(endogenic driving mechanism of plate tectonic regime),內(nèi)驅(qū)動(dòng)力又會(huì)隨著俯沖帶沉積物的消耗,俯沖帶沉積補(bǔ)償不足進(jìn)而“饑餓”，而后降低。

6 現(xiàn)代板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代地球系統(tǒng)建立

新元古代中期至寒武紀(jì)(850～500 Ma)是地球歷史上的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換時(shí)期,在這一時(shí)期,發(fā)生了一系列具有里程碑意義的重大事件,包括現(xiàn)代板塊構(gòu)造啟動(dòng)、岡瓦納大陸聚合、第二次大氣增氧和寒武紀(jì)生命大爆發(fā)等。地球深部過(guò)程和表生氣候、環(huán)境與生物逐漸接近現(xiàn)今地球,地球?qū)崿F(xiàn)了“脫胎換骨”。最新研究進(jìn)展表明,板塊構(gòu)造的環(huán)境和氣候效應(yīng)主要是通過(guò)造山剝蝕、促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力和深部循環(huán),以及構(gòu)造去氣這兩方面作用機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)[22,25,82-87]。板塊構(gòu)造不僅深刻改變了全球洋陸格局,而且從多方面引起了表生圈層的極端變化[25,44]。

岡瓦納大陸聚合過(guò)程中現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)與建立,形成了全球范圍內(nèi)多階段的超大規(guī)模造山帶。岡瓦納大陸聚合階段的造山作用除了造山規(guī)模巨大,還具有造山作用持續(xù)事件長(zhǎng)、多階段的特點(diǎn),從670 Ma一直持續(xù)到440～430 Ma,至少發(fā)生3期造山作用[34-36,41],而且這些巨型造山帶大多位于風(fēng)化作用最為強(qiáng)烈的中低緯度季風(fēng)帶,這導(dǎo)致這一時(shí)期大陸風(fēng)化剝蝕作用急劇增長(zhǎng),這一認(rèn)識(shí)也得到大陸風(fēng)化剝蝕強(qiáng)度演化特征的證實(shí),其與岡瓦納大陸的聚合極為吻合[28,81,88]。多階段的超大規(guī)模造山剝蝕為大洋提供了豐富的Fe，P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)了藍(lán)藻等海洋植物的光合作用(即促進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力),釋放出大量自由氧,造成大氣持續(xù)增氧(見(jiàn)圖3)。與此同時(shí),大規(guī)模的大陸剝蝕作用埋藏了有機(jī)碳和黃鐵礦,起到了有機(jī)碳封存的作用,阻止了其對(duì)大氣自由氧的消耗,導(dǎo)致大氣增氧。有觀點(diǎn)認(rèn)為，這些巨型造山帶的出現(xiàn)可能最終引發(fā)了NOE事件[25-26](見(jiàn)圖3)。但是，岡瓦納大陸聚合過(guò)程多階段造山是否產(chǎn)生了多階段環(huán)境效應(yīng)、導(dǎo)致大氣多階段增氧(NOE)?各階段造山規(guī)模和相應(yīng)風(fēng)化剝蝕強(qiáng)度(風(fēng)化指標(biāo)時(shí)空變化規(guī)律、沉積物中P等生命元素含量變化規(guī)律等)如何？這些問(wèn)題尚無(wú)可靠的量化數(shù)據(jù)約束,而且造山帶的精細(xì)時(shí)空分布(古地理重建)存在較大爭(zhēng)議,需要地球科學(xué)界開(kāi)展進(jìn)一步深入研究。

俯沖作用是驅(qū)動(dòng)碳循環(huán)的關(guān)鍵控制因素,碳循環(huán)則又是控制大氣增氧的關(guān)鍵。雖然在地球演化過(guò)程中,隨著板塊構(gòu)造的啟動(dòng),表生圈層的碳庫(kù)在逐步上升,但地幔碳庫(kù)的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于表生碳庫(kù)[89-92]。大氣中的CO2雖然有多個(gè)來(lái)源,但其中最重要的來(lái)源是通過(guò)深部俯沖過(guò)程來(lái)控制碳循環(huán)實(shí)現(xiàn)的,即俯沖到深部的碳酸鹽巖構(gòu)造排氣,這包括碳酸鹽巖變質(zhì)作用和碳酸鹽巖俯沖到深部，隨后經(jīng)過(guò)巖漿排氣而進(jìn)入大氣兩方面[82-84]。已有資料表明,大陸弧(即洋陸俯沖)及其向陸陸俯沖的轉(zhuǎn)換過(guò)程是控制CO2構(gòu)造排氣的關(guān)鍵,晚新元古代以來(lái)，俯沖帶長(zhǎng)度變化與大氣CO2濃度、地表溫度變化有很好的相關(guān)關(guān)系[82,84,86]。這一觀點(diǎn)也得到最新研究成果的證實(shí)：研究表明，印度板塊俯沖到歐亞板塊之下、青藏高原隆升,造成了俯沖帶碳酸鹽巖構(gòu)造去氣，釋放CO2,進(jìn)而導(dǎo)致新生代大氣中CO2的濃度急劇上升[93](見(jiàn)圖3)。大氣中的CO2既是光合作用的原料,又是控制地球溫度的關(guān)鍵物質(zhì),因此其濃度的變化對(duì)地球海洋大氣增氧和表生環(huán)境的演化起著舉足輕重的作用。模擬研究表明,深部碳循環(huán)構(gòu)造去氣對(duì)大氧化事件(GOE)和新元古代大氧化事件(NOE)都有重要貢獻(xiàn)[85,87]。

圖3 現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制建立及其與地球表生環(huán)境變化的聯(lián)動(dòng)機(jī)制(據(jù)參考文獻(xiàn)[22])Fig.3 Conceptual model for the establishment of modern tectonic regime and its links to tectonic events and surface environs

綜上所述,岡瓦納大陸聚合過(guò)程中,板塊構(gòu)造的多階段碰撞造山和大陸弧排氣兩種構(gòu)造作用可能促進(jìn)了新元古代大氣增氧事件(NOE)。模擬結(jié)果表明，到早寒武世，大氣氧達(dá)到現(xiàn)在25%水平,這一結(jié)果與寒武紀(jì)生命輻射所需要的氧氣閾值相吻合[29]。大氣圈的持續(xù)增氧為早寒武世生命大爆發(fā)提供必要的條件。但是,值得關(guān)注的是，在新元古代大氣增氧事件中,俯沖帶構(gòu)造排氣和多階段大規(guī)模造山,哪個(gè)因素占主導(dǎo)作用,目前仍然沒(méi)有定論,是未來(lái)地球系統(tǒng)科學(xué)研究的方向和難點(diǎn)。

值得注意的是,不同超大陸聚合階段對(duì)應(yīng)著板塊構(gòu)造的不同演化階段,如努納超大陸聚合對(duì)應(yīng)著俯沖深度較淺的早期板塊構(gòu)造階段(俯沖深度40～50 km),羅迪尼亞超大陸聚合階段處于地球中年期的晚期,而岡瓦納大陸聚合則對(duì)應(yīng)著以深俯沖為標(biāo)志的現(xiàn)代板塊構(gòu)造的啟動(dòng)和建立階段(俯沖可達(dá)300 km)。根據(jù)地殼均衡補(bǔ)償原理,深俯沖意味著造山帶海拔更高、規(guī)模更大、風(fēng)化剝蝕作用更強(qiáng);因而不同超大陸聚合階段的造山帶海拔和規(guī)模應(yīng)該存在很大差異,這也意味著大陸風(fēng)化剝蝕作用的強(qiáng)度存在巨大差異。此外,地幔碳庫(kù)遠(yuǎn)高于表生碳庫(kù),深俯沖可能為地幔碳庫(kù)轉(zhuǎn)移到表生碳庫(kù)提供了必要的通道,但此觀點(diǎn)仍需進(jìn)一步研究驗(yàn)證。板塊構(gòu)造的演化階段差異很有可能是岡瓦納大陸聚合階段發(fā)生了顯著大氣增氧(NOE),而努納和羅迪尼亞超大陸聚合階段尚未報(bào)道有明顯的環(huán)境變化、大氣增氧的重要原因。