地球早期滯殼構(gòu)造及其向板塊構(gòu)造體制演變

楊昊坤 ，李江海 *

1. 造山帶與地殼演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100871；2. 北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871

1 地球早期構(gòu)造體制的兩種模式

板塊構(gòu)造是目前地球上最重要的構(gòu)造特征，塑造了如今的大陸、海洋和大氣層。但對(duì)于地球早期構(gòu)造體制是怎樣的？板塊構(gòu)造何時(shí)在地球上產(chǎn)生，地球構(gòu)造體制是如何隨著時(shí)間的推移而發(fā)展？學(xué)界仍然缺乏一致的認(rèn)識(shí)。從行星對(duì)比的角度，地球作為太陽系中唯一具有板塊構(gòu)造的星體，為何會(huì)與其它星球如此不同，現(xiàn)在也眾說紛紜。在2020年5月19日發(fā)布的《美國國家科學(xué)基金會(huì)地球科學(xué)十年愿景（2020~2030）：時(shí)域地球》中，“板塊構(gòu)造開始的時(shí)間、原因和方式”這一科學(xué)問題名列第二，凸顯了其在地球科學(xué)研究中的重要性。

目前學(xué)界對(duì)板塊構(gòu)造的開始時(shí)間爭(zhēng)議很大。有觀點(diǎn)認(rèn)為，冥古宙晚期或始太古代地球就啟動(dòng)了早期的板塊構(gòu)造（Maruyama and Ebisuzaki, 2017;Windley et al., 2021），部分學(xué)者認(rèn)為，板塊構(gòu)造始于距今約3.2~3.0 Ga（Condie, 2018; Hawkesworth and Brown, 2018; Palin et al., 2020; Palin, 2021），部分學(xué)者認(rèn)為，板塊構(gòu)造始于2.5~2.0 Ga（Dewey,2021），亦有學(xué)者，認(rèn)為板塊構(gòu)造始于0.8 Ga左右（Stern, 2018）。確定板塊構(gòu)造起源時(shí)間的關(guān)鍵是明確板塊構(gòu)造出現(xiàn)的標(biāo)志，而產(chǎn)生上述爭(zhēng)論的一個(gè)關(guān)鍵因素是目前學(xué)界對(duì)早期地球構(gòu)造體制仍有很大爭(zhēng)議。對(duì)板塊構(gòu)造起源時(shí)間的爭(zhēng)論涉及早期地球構(gòu)造體制的兩種解釋：太古宙板塊構(gòu)造模型與滯殼構(gòu)造（Stagnant lid; Solomatov and Moresi, 1996）模型。

1.1 板塊構(gòu)造模式

隨著板塊構(gòu)造理論的蓬勃發(fā)展與不斷成熟，不少學(xué)者傾向于均變論觀點(diǎn)，應(yīng)用板塊構(gòu)造學(xué)說來解釋地球前寒武紀(jì)的構(gòu)造體制（Windley et al., 2021;Nutman et al., 2021; Kusky et al., 2021）。持此意見者一般認(rèn)為早期地球（冥古宙或始太古代）構(gòu)造體制以板塊構(gòu)造體制為主，地球上的構(gòu)造模式自始至終并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，與現(xiàn)代的板塊構(gòu)造方式相似。他們大多從地球上現(xiàn)存的太古宙巖石記錄著手，分析古克拉通的地層、構(gòu)造以及地球化學(xué)特征，并與現(xiàn)今板塊構(gòu)造體制下的地殼巖石進(jìn)行類比。

目前普遍認(rèn)為最古老的礦物記錄出現(xiàn)在澳大利亞中部Jack Hill（Wilde et al, 2001），而最古老的巖石位于加拿大西北部Slave克拉通（Bowring and Williams, 1999）。此外，研究程度較深的太古宙克拉通還有格陵蘭Isua帶、澳大利亞Pilbara克拉通、南非Barberton克拉通及加拿大Nuvvuagittuq表殼巖帶等（Nutman et al., 2013; Kitajima et al., 2008; de Wit et al., 2018; O’Neil et al., 2008）。很多學(xué)者通過論述Jack Hill鋯石具有俯沖帶地球化學(xué)特征，以及上述太古宙地區(qū)存在類似的海洋板塊地層、具有俯沖帶微量元素模式及發(fā)育類似板塊構(gòu)造的逆沖推覆構(gòu)造等，認(rèn)為這些特征是由于板塊構(gòu)造產(chǎn)生的（Turner et al., 2014; Ernst, 2017; Grosch and Slama,2017; Turner et al., 2020; Windley et al., 2021）。

1.2 滯殼構(gòu)造模式（stagnant lid tectonics）

隨著地質(zhì)資料的積累，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)板塊構(gòu)造理論難以解決地球太古宙地質(zhì)記錄的所有問題。地球歷史上發(fā)生的許多地質(zhì)和地球化學(xué)變化，例如富集和虧損幔源玄武巖成分的增加、埃達(dá)克巖與贊岐巖Sr、Y同位素變化、榴輝巖包裹體在金剛石中出現(xiàn)、碰撞造山帶出現(xiàn)頻率迅速增加、陸殼生成速率迅速增加、蛇綠巖以及大火成巖省的出現(xiàn)、藍(lán)片巖與超高壓變質(zhì)巖的出現(xiàn)等，使用板塊構(gòu)造都無法解釋（Condie, 2018; 張旗和焦守濤， 2021）。此外，由于太古宙地球內(nèi)部溫度較高，板塊構(gòu)造所要求的剛性巖石圈可能并不存在，也不會(huì)有較冷的、致密的大洋巖石圈下沉驅(qū)動(dòng)俯沖作用。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟以及航空、遙感等技術(shù)的進(jìn)步，使得數(shù)值模擬、比較行星學(xué)在地球早期構(gòu)造體制研究中的應(yīng)用成為可能（Sizova et al., 2010; Gerya et al., 2014;Rozel et al., 2017; Stern et al., 2018; Capitanio et al.,2022），地球早期的滯殼構(gòu)造理論逐漸引起學(xué)界高度重視并得到多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可。

滯殼構(gòu)造（Stangnant lid）最早由Solomatov和Moresi（1996）提出，以描述現(xiàn)今金星上的構(gòu)造體制。所謂的滯殼，是當(dāng)類地行星早期巖漿洋冷卻之后，在表面形成環(huán)繞行星一圈的單一板塊。需要注意的是，本文中的“滯殼構(gòu)造”是廣義的概念，泛指與板塊構(gòu)造不同的以垂向巖石圈運(yùn)動(dòng)為主的構(gòu)造模式，包括熱管、深成粘蓋等小類。也有學(xué)者將滯殼構(gòu)造稱為“非板塊構(gòu)造”（Windley et al., 2021）或“單蓋構(gòu)造（Single lid）”（Stern, 2018）。

在缺乏地球早期地質(zhì)資料的情況下，對(duì)其他行星進(jìn)行研究有助于理解板塊構(gòu)造是如何開始的。地球是太陽系中唯一具有板塊構(gòu)造的星體，而滯殼構(gòu)造則是太陽系星體更為普適的構(gòu)造模式。Stern等（2018）以類地行星為案例參照，提出硅酸鹽行星由巖漿洋到熱管構(gòu)造到活動(dòng)殼到終極滯殼的構(gòu)造演變序列（圖1）。其中木衛(wèi)一、金星等非板塊構(gòu)造的行星擁有比較活躍的滯殼構(gòu)造機(jī)制，可與地球早期構(gòu)造相類比：木衛(wèi)一表現(xiàn)為熱巖漿從地殼之下上升，伴隨冷地殼下降的“熱管模式”，構(gòu)造整體上是垂向發(fā)育的；金星存在眾多活動(dòng)地幔柱和周期性火山噴發(fā)，內(nèi)部地幔對(duì)流主要由與地球相似的上升羽流以及下沉到軟流圈的冷“滴流”所控制（Stern, 2018）。值得注意的是，金星巖石圈條件與太古宙地球非常相似，金星的光圈（Coronae）構(gòu)造和鑲嵌塊（Tesserae）可能類似于早期俯沖的地點(diǎn)和早期花崗巖大陸，可作為地球板塊構(gòu)造的類似物，或許可以為地球板塊構(gòu)造的起始提供線索（Hawkesworth and Brown, 2018；Lap?tre et al.,2020）。金星表面仍有大量構(gòu)造變形特征，可能是地幔運(yùn)動(dòng)控制地表發(fā)生變形，這種巖石圈分塊運(yùn)動(dòng)可能代表了板塊構(gòu)造與滯殼構(gòu)造的中間形式（Byrne et al., 2021）。另外，火星上雖然發(fā)現(xiàn)了近期巖漿活動(dòng)的跡象（Hauber et al., 2011），但整體上其構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)金星要小，可能以僅有一個(gè)或幾個(gè)地幔柱為特征（Stern et al., 2018），表現(xiàn)為更為緩慢的滯殼構(gòu)造，可能處于行星構(gòu)造演化的晚期；月球與水星內(nèi)部活動(dòng)近乎完全停止，一般歸為滯殼構(gòu)造的最終階段，隨著行星的冷卻和巖石圈逐漸加厚，火星、水星與月球可能代表了硅酸鹽行星構(gòu)造活動(dòng)的消亡與終結(jié)（Stern et al., 2018）。

圖1 類地大型硅酸鹽星體構(gòu)造樣式可能的演化模式（據(jù)Stern et al., 2018）Fig. 1 Possible evolution of tectonic styles for large silicate bodies like the Earth (From Stern et al., 2018)

地球滯殼構(gòu)造理論認(rèn)為，地球形成于46億年前，最初是一個(gè)熾熱的熔巖球。由于新生地球非常高溫，在地球形成后的至少10億年里，可能沒有任何板塊構(gòu)造。在第一塊大陸形成之前，地球上只有一個(gè)所謂的球殼或“蓋”，并沒有陸地板塊（O’Neill et al., 2016）。區(qū)別于板塊構(gòu)造的大規(guī)模橫向塊體移動(dòng)，滯殼模式下巖石圈垂向沉降或水滴狀下沉是更普遍的將淺層物質(zhì)輸送到地幔的機(jī)制（Dewey et al., 2021）。對(duì)于冥古宙或始太古代出現(xiàn)的一些俯沖帶特征，可以解釋為滯殼體系中幕式、短暫的俯沖作用（Cawood et al., 2018; O’Neill et al., 2018; Liu et al., 2019; Cawood, 2020），或是由于深部上升流的邊緣擠壓（Morre and Webb, 2013;Dewey et al., 2021），亦或是滯殼構(gòu)造與早期俯沖構(gòu)造在時(shí)間上出現(xiàn)多次交替（Stern, 2018）或在空間上并存（Capitanio et al., 2019），而且無法證明冥古宙或始太古代俯沖作用的普遍性（Korenaga,2018），因此不能將其等同于板塊構(gòu)造。

2 滯殼構(gòu)造的作用模式

圍繞地球早期的滯殼構(gòu)造，提出了多種構(gòu)造演化模式，主要有熱管構(gòu)造模式、地幔反轉(zhuǎn)模式、深成粘蓋模式、蓋—板構(gòu)造模式等（Morre and Webb,2013；Bédard, 2018；Rozel et al., 2017；Louren?o et al., 2020; Capitanio et al., 2019；圖2）。對(duì)于每種模式，重點(diǎn)在于如何解釋在早期地球未出現(xiàn)板塊構(gòu)造的情況下，地球如何釋放熱量、如何形成早期大陸以及如何形成類似俯沖造山帶的擠壓構(gòu)造。

圖2 可能的地球早期滯殼構(gòu)造體制Fig. 2 Possible stagnant lid tectonics regimes in early Earth

2.1 熱管構(gòu)造模式（Heat-pipe tectonics）

熱管構(gòu)造（圖2a）是一種以垂向巖漿作用為主導(dǎo)的構(gòu)造體制，認(rèn)為早期地球表面可能存在大量巖漿通道，地球內(nèi)部熔體通過巖漿通道到達(dá)地表，并冷卻固結(jié)形成早期地殼。頻繁的火山運(yùn)動(dòng)使地表物質(zhì)下移，產(chǎn)生較冷而厚的巖石圈。這是一種類地天體較為常見的物質(zhì)和熱量循環(huán)方式，具有較高的熱量釋放效率。隨著地球內(nèi)部熱能減少，熱管構(gòu)造模式向板塊構(gòu)造模式轉(zhuǎn)化。

目前太陽系中木衛(wèi)一（Io）發(fā)育最典型的熱管構(gòu)造。Morre 和 Webb（2013）通過數(shù)值模擬方法證實(shí)了地球早期存在熱管構(gòu)造的可能性，指出太古宙地層擠壓變形可以用巖漿底辟侵位解釋，并且通過模擬實(shí)現(xiàn)了約3.2 Ga熱管構(gòu)造向板塊構(gòu)造的轉(zhuǎn)化。但熱管構(gòu)造存在一些無法解釋的問題，例如太古宙早期大陸如何在熱管構(gòu)造劇烈的巖漿活動(dòng)條件下保存，以及在較冷的巖石圈條件下如何形成太古宙TTG等。因此熱管構(gòu)造模型還需要進(jìn)行進(jìn)一步修正，有學(xué)者認(rèn)為熱管構(gòu)造可能僅存在于地球最早期的一段時(shí)間，隨后即被另一種滯殼構(gòu)造模式所替換（Stern et al., 2018; 章清文和劉耘， 2021）。

2.2 地幔反轉(zhuǎn)模式（Mantle overturns）

Fischer 和 Gerya（2016）通過高精度巖漿動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，提出地球早期存在幕式地殼增長(zhǎng)和破壞模式，太古宙存在長(zhǎng)而穩(wěn)定的地殼增長(zhǎng)階段和短而劇烈的地殼破壞階段。Bédard（2018）對(duì)這種觀點(diǎn)進(jìn)行了擴(kuò)展，提出地球早期處于不穩(wěn)定的周期滯殼體系之內(nèi)，停滯蓋之間的間隔可能對(duì)應(yīng)地幔反轉(zhuǎn)（圖2b）。地球早期的滯殼之下發(fā)生不穩(wěn)定的地幔分層對(duì)流，只會(huì)使上層地幔冷卻。由于地球內(nèi)部大量熱量一直留存在下層地幔中而得不到有效釋放，因此地球熱量平衡逐漸被擾亂。最終當(dāng)下層地幔熱量積累到一定程度時(shí)，將觸發(fā)地幔翻轉(zhuǎn)。

太古宙地殼在地幔反轉(zhuǎn)期間爆發(fā)式產(chǎn)生，這些新生地殼在反轉(zhuǎn)間歇期運(yùn)動(dòng)停滯，構(gòu)造模式類似于熱管構(gòu)造。在太古宙地幔翻轉(zhuǎn)期間，長(zhǎng)期存在的地幔上升流具有生成TTG所需的大量熱巖漿環(huán)境，因此太古宙大陸可能在這些上升流的位置形成；而上升流頂部的先存大陸將被強(qiáng)烈改造，離上升流較遠(yuǎn)的大陸則會(huì)隨著地幔流而漂移。漂移太古宙大陸的前緣可能出現(xiàn)地體增生、疊瓦構(gòu)造、巖石圈重熔等會(huì)聚邊緣構(gòu)造特征，解釋了太古宙類似會(huì)聚板塊構(gòu)造的成因。因此大陸漂移早在發(fā)生板塊主動(dòng)俯沖之前就已存在，屬于“自下而上的構(gòu)造”。隨著地球冷卻，巖石圈變得更加致密堅(jiān)硬，可能在2.5 Ga左右，會(huì)聚邊緣逐漸演化為現(xiàn)代主動(dòng)俯沖系統(tǒng)。

2.3 深成粘蓋模式（Plutonic-squishy lid）

深成粘蓋模式是一種主要由侵入巖漿控制的構(gòu)造作用體制（Rozel et al., 2017; Louren?o et al.,2020，圖2c）。由于早期地球的熱流較高，從而導(dǎo)致地幔黏度較低和局部密度差。來自地幔的巖漿侵入地殼，導(dǎo)致地殼加熱、增厚，發(fā)生拆沉并進(jìn)入地幔。在此種構(gòu)造體制下，原始TTG熔體可以通過鎂鐵質(zhì)下地殼分層并滴入地幔、地殼局部增厚、小規(guī)模地殼翻轉(zhuǎn)等方式在地殼或地幔形成（Sizova et al., 2015）。

Rozel 等（2017）通過數(shù)值模擬方法將本模型與熱管模型進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為以火山作用為主的熱管構(gòu)造體制下形成的巖石圈較冷，而由侵入巖漿作用主導(dǎo)的深成粘蓋模型可以形成較熱的巖石圈，與地球原始地殼較為相似。Louren?o 等（2020）指出巖漿侵入會(huì)在巖石圈中形成熱而弱的邊界，沿這種邊界形成一系列小型、暫時(shí)性的“板塊”，這些“板塊”邊界頻繁由于巖漿上涌或巖石圈拆沉而更新，因此其與板塊構(gòu)造理論所提出的板塊構(gòu)造完全不同。在不存在板塊俯沖的條件下，地殼分層與向下滴落能夠?qū)е略缙诘貧は虿鸪廖恢玫妮^快橫向運(yùn)動(dòng)，從而將太古宙垂向構(gòu)造與橫向構(gòu)造聯(lián)系起來，解釋了太古宙克拉通較高的橫向運(yùn)動(dòng)速率（Brenner et al.,2020）以及類似的俯沖帶特征。同時(shí)在這種機(jī)制下巖石圈保持較薄的厚度，具有有效的熱損失機(jī)制。最近研究發(fā)現(xiàn)金星上存在分塊運(yùn)動(dòng)的巖石圈（Byrne et al., 2021），與這種構(gòu)造模型較為吻合。

2.4 蓋—板構(gòu)造模式（Lid-and-plate tectonics）

Capitanio等（2019）利用太古宙地幔條件下地幔對(duì)流和熔融數(shù)值模擬，表明在單一的全球熱體制下，巖石圈垂向運(yùn)動(dòng)（即滯殼構(gòu)造）與橫向運(yùn)動(dòng)兩種構(gòu)造模式可以共存，提出了蓋—板構(gòu)造（圖2d）。地球早期基性地幔柱到達(dá)巖石圈底部后發(fā)生分異，抽提出的熔體侵位到巖石圈頂部形成新生地殼，殘余熔體在巖石圈底部固化。在離散地幔流環(huán)境下，巖石圈底部的殘余固化巖石可能橫向增生為很大的塊體，形成所謂“原板塊”。在地球早期的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，滯殼構(gòu)造與“原板塊”的橫向運(yùn)動(dòng)共存。

在原板塊增生以及橫向遷移過程中，地幔流離散位置巖石圈減薄，遷移前緣形成類似會(huì)聚板塊邊緣的環(huán)境，發(fā)生巖石圈增厚、邊界應(yīng)變以及不對(duì)稱拆沉等。下層巖石圈及其中的殘余固化巖石沿不對(duì)稱拆沉返回地幔，拆沉部位與大陸TTG形成環(huán)境非常相似。模擬速度顯示地表橫向遷移速度遠(yuǎn)小于地幔對(duì)流速度，深部巖石圈返回地幔帶動(dòng)地表發(fā)生擠壓變形，因此從地球動(dòng)力學(xué)角度來看上述過程沒有發(fā)生板塊俯沖。這種構(gòu)造體制與Louren?o 等（2020）闡述的深成粘蓋模式都提出了存在“原始板塊”，但這種模式更強(qiáng)調(diào)地幔流對(duì)原板塊橫向遷移的作用，可能代表了地球從滯殼構(gòu)造到板塊構(gòu)造的過渡形態(tài)（李忠海等，2021）。在Capitanio 等（2019）的數(shù)值模擬中，這種構(gòu)造模型建立十分迅速，因此早期地球上純停滯蓋模式可能持續(xù)時(shí)間很短，在冥古宙就為這種蓋—板構(gòu)造所取代。

3 地球構(gòu)造體制轉(zhuǎn)化時(shí)間

雖然地球早期處于滯殼構(gòu)造模式之中已獲得主流學(xué)界的認(rèn)可，但除了地球早期的滯殼構(gòu)造的運(yùn)行模式存在爭(zhēng)議以外，滯殼構(gòu)造何時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍓K構(gòu)造也是目前研究的熱點(diǎn)。

許多學(xué)者認(rèn)為板塊構(gòu)造的起源與大陸克拉通化可能存在因果關(guān)系，希望通過太古宙長(zhǎng)英質(zhì)陸殼的形成與演化來制約板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間。通過不同的方法研究太古宙克拉通，得到的板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間最早可達(dá)4 Ga，但多在古太古代至中太古代早期。Deng 等（2019）發(fā)現(xiàn)太古宙TTG巖漿源中存在沉積硅質(zhì)巖的證據(jù)，認(rèn)為早在約4 Ga前，巖石圈的橫向運(yùn)動(dòng)和沉積物的向下搬運(yùn)就已經(jīng)開始（至少是局部的），并且海洋俯沖很可能是太古宙長(zhǎng)英質(zhì)大陸的成因。有的學(xué)者使用地球化學(xué)方法，根據(jù)太古宙早期陸殼Rb/Sr、Ni/Co、Cr/Zn的變化以及Nd、Hf、W同位素地球化學(xué)數(shù)據(jù)，推測(cè)在3.8~3.0 Ga時(shí)出現(xiàn)上地殼由鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)英質(zhì)的證據(jù)，可能代表了板塊構(gòu)造的開始（Dhuime et al., 2015; Tang et al., 2016; Carlson et al., 2019; Bauer et al., 2020）。同時(shí)Dhuime等（2018）模擬數(shù)據(jù)表明3 Ga時(shí)地殼破壞率急劇上升，這可能與俯沖帶的廣泛發(fā)展有關(guān)。Greber 等（2017）通過測(cè)定太古宙沉積巖的Ti同位素組成，認(rèn)為地殼轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)英質(zhì)的時(shí)間早于3Ga，板塊構(gòu)造應(yīng)該開始于3.5 Ga甚至更早。Zhai和 Peng（2020）通過對(duì)華北克拉通的研究，提出板塊構(gòu)造是分幾個(gè)階段發(fā)展的，可分為原始板塊構(gòu)造（3.0/2.7~2.5 Ga）、早期板塊構(gòu)造（2.2~1.8 Ga）以及現(xiàn)代板塊構(gòu)造（<0.7 Ga）。但也有學(xué)者提出反對(duì)意見，認(rèn)為陸殼形成和板塊構(gòu)造啟動(dòng)不應(yīng)混為一談，因?yàn)殛憵た梢栽跊]有板塊構(gòu)造的情況下形成（Stern, 2018），如TTG可能形成于地幔柱洋底高原下部玄武巖部分熔融（Zhu et al., 2021）。

變質(zhì)作用是研究板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間的熱點(diǎn)，對(duì)變質(zhì)巖的最新研究使板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間從新元古代向新太古代末期推進(jìn)。識(shí)別現(xiàn)今地球俯沖帶的重要指標(biāo)是高壓低溫變質(zhì)巖（如藍(lán)片巖）與超高壓變質(zhì)巖（如柯石英榴輝巖），地球上最早的藍(lán)片巖、超高壓榴輝巖出現(xiàn)在新元古代（Maruyama et al., 1996;Jahn et al., 2001）。Stern（2018）根據(jù)地球上最早的俯沖帶變質(zhì)組合，認(rèn)為現(xiàn)代板塊構(gòu)造直到新元古代才開始啟動(dòng)，并提出新元古代之前滯殼構(gòu)造和早期板塊構(gòu)造交替進(jìn)行的猜想。Brown 和 Johnson（2018）發(fā)現(xiàn)新太古代普遍存在高T/P與中T/P變質(zhì)巖，而新元古代末期之后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蚑/P變質(zhì)巖普遍存在，符合最古老的俯沖帶變質(zhì)巖出現(xiàn)時(shí)間。Zheng 和 Zhao（2020）則認(rèn)為板塊俯沖在新太古代已經(jīng)存在，將Brown 和 Johnson（2018）提出的變質(zhì)巖變化解釋為新太古代的俯沖是韌性板塊邊緣的“熱俯沖”，而之后隨著地幔冷卻，在新元古代俯沖轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂园鍓K邊緣的“冷俯沖”，出現(xiàn)大量低T/P變質(zhì)巖。近期還有研究發(fā)現(xiàn)，低T/P變質(zhì)巖是在2.5 Ga新太古代末期開始逐漸增多的，進(jìn)而形成雙變質(zhì)帶，可視為板塊運(yùn)動(dòng)重特征，早于藍(lán)片巖與超高壓變質(zhì)作用最早出現(xiàn)時(shí)間（Holder et al.,2019；Brown et al., 2020b）。低T/P變質(zhì)巖與雙變質(zhì)帶的發(fā)展、藍(lán)片巖和超高壓變質(zhì)巖的出現(xiàn)，與地幔的長(zhǎng)期冷卻以及海洋巖石圈厚度、浮力和流變性的變化，進(jìn)而導(dǎo)致俯沖和碰撞造山構(gòu)造方式的演化有關(guān)。

此外，近年來對(duì)早期板塊構(gòu)造地質(zhì)記錄的研究還涉及沉積、成礦帶、巖漿作用、地震等方面，提出的板塊構(gòu)造啟動(dòng)時(shí)間多在3~2 Ga之間。Sobolev和Brown（2019）認(rèn)為地表侵蝕與沉積控制地球板塊構(gòu)造的演化，3 Ga以來積累的沉積物為穩(wěn)定俯沖起到了潤滑作用，并且對(duì)地球板塊構(gòu)造的發(fā)展至關(guān)重要；3~2 Ga之間由于超大陸聚合和地表侵蝕加劇，滯殼構(gòu)造逐漸演變?yōu)槿虬鍓K構(gòu)造體制。Dewey等（2021）通過對(duì)太古宙和元古宙成礦作用的詳細(xì)研究，指出2.5 Ga（新太古代末期）成礦作用突然變得非常活躍，可能與全球規(guī)模的克拉通運(yùn)動(dòng)相關(guān)，代表了板塊構(gòu)造的啟動(dòng)；0.8 Ga羅迪尼亞超大陸解體，代表了現(xiàn)代板塊構(gòu)造開始。Spencer等（2018）對(duì)2.3~2.2 Ga全球地質(zhì)記錄的研究表明，古元古代存在構(gòu)造巖漿活動(dòng)停滯期，2.2 Ga新生巖漿大量活動(dòng)可能代表了早期板塊構(gòu)造向現(xiàn)代板塊構(gòu)造或超大陸旋回轉(zhuǎn)變。Liu 等（2019）研究發(fā)現(xiàn)約2.1 Ga開始出現(xiàn)堿性玄武巖巖漿活動(dòng)，可能代表地球上持續(xù)俯沖作用的開始。Wan 等（2020）通過地震研究認(rèn)為在距今2 Ga時(shí)最終形成全球板塊邊界網(wǎng)，并加速地幔冷卻。

從上述研究可以看出，前人所提出的板塊構(gòu)造出現(xiàn)的標(biāo)志大都在古太古代至古元古代之間，因此可以認(rèn)為這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生了地球構(gòu)造體制的重大轉(zhuǎn)換。地球構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)變根本上是由于地球的不斷冷卻，從滯殼構(gòu)造演變?yōu)榘鍓K構(gòu)造是長(zhǎng)時(shí)間的過渡過程（O’Neill et al., 2018; Cawood, 2018, 2020;Brown et al., 2020a; 圖3）。筆者認(rèn)為目前研究者對(duì)從滯殼構(gòu)造到板塊構(gòu)造的演變已形成了大體一致的框架：地球早期為滯殼構(gòu)造（可能間有幕式俯沖作用）；約3.2 Ga（或更早的古太古代）開始出現(xiàn)早期板塊構(gòu)造，可能以太古宙克拉通大量形成為證據(jù)；中新太古代到古元古代可視為滯殼構(gòu)造到板塊構(gòu)造的過渡期，可能在古元古代形成了全球連續(xù)的板塊邊界網(wǎng)，以低T/P變質(zhì)巖開始出現(xiàn)與雙變質(zhì)帶開始發(fā)展、巖漿活動(dòng)劇烈、造山與熱液成礦帶廣泛發(fā)育為證據(jù)；最后在新元古代形成現(xiàn)今樣式的板塊構(gòu)造，以地幔不斷冷卻造成從“熱俯沖”到“冷俯沖”的轉(zhuǎn)化、藍(lán)片巖與超高壓變質(zhì)巖的出現(xiàn)為標(biāo)志。從滯殼構(gòu)造到板塊構(gòu)造的分階段演變與地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬揭示的地球構(gòu)造體制演變一致（Sizova et al., 2010; Gerya, 2014）。對(duì)于板塊構(gòu)造開始時(shí)間的爭(zhēng)論，很多是觀念上的。例如有的學(xué)者認(rèn)為板塊構(gòu)造開始相當(dāng)于第一個(gè)俯沖帶開始活動(dòng)（Lu et al.,2021），也有學(xué)者認(rèn)為板塊構(gòu)造開始時(shí)間可定義為板塊構(gòu)造成為地球主導(dǎo)構(gòu)造機(jī)制的時(shí)間（Gerya,2014; Hawkesworth and Brown, 2018），有的學(xué)者認(rèn)為是全球形成連續(xù)板塊邊界網(wǎng)的時(shí)間（Cawood et al., 2018; Brown et al., 2020a; Wan et al., 2020），而他們對(duì)地球構(gòu)造演化的大致認(rèn)識(shí)相差不大。

圖3 地球構(gòu)造模式演化示意圖（據(jù)Cawood, 2020）Fig. 3 Evolution of tectonic regimes in Earth (From Cawood, 2020)

在地球早期構(gòu)造體制過渡期之內(nèi)，滯殼構(gòu)造與早期板塊構(gòu)造是共存的，不同階段不同的構(gòu)造體制可能發(fā)揮著不同程度的作用。二者可能同一時(shí)間在地球上共存（Capitanio et al., 2019），也可能在不同時(shí)間發(fā)生交替（Stern, 2018）。熱管構(gòu)造作為一種釋熱效率較高的構(gòu)造模式，可能在巖漿洋階段之后是早期地球主導(dǎo)的構(gòu)造體制，期間可能通過地幔反轉(zhuǎn)平衡地球內(nèi)部熱量并形成太古宙早期TTG。而深成粘蓋構(gòu)造模式與蓋—板構(gòu)造模式作為巖石圈垂向運(yùn)動(dòng)與橫向運(yùn)動(dòng)并存的構(gòu)造體制，可能代表了滯殼構(gòu)造晚期和板塊構(gòu)造早期的過渡，并且其作用可能延伸到早期板塊構(gòu)造出現(xiàn)后的某個(gè)時(shí)間。不管是滯殼構(gòu)造還是板塊構(gòu)造，其本質(zhì)上都是地球內(nèi)部散熱的機(jī)制，地球從早期熱管構(gòu)造、地幔反轉(zhuǎn)，到深成粘蓋構(gòu)造與蓋—板構(gòu)造，再到板塊構(gòu)造的過程，是由地球逐漸冷卻的過程控制的。

在這個(gè)大體一致的框架下，對(duì)滯殼構(gòu)造到板塊構(gòu)造演變的細(xì)節(jié)還存在一些爭(zhēng)議。例如對(duì)于地球歷史上1.8~0.8 Ga的構(gòu)造沉寂期（Boring billion），Stern（2018）認(rèn)為屬于緩慢的“單蓋”構(gòu)造，支持了他所提出的新元古代之前板塊構(gòu)造與滯殼構(gòu)造交替作用的理論；Sobolev 和 Brown（2019）認(rèn)為是沉積物減少導(dǎo)致俯沖作用變?nèi)?；Dewey 等（2021）則認(rèn)為造山帶、蛇綠巖等地質(zhì)記錄顯示這一時(shí)期仍然具有明顯板塊構(gòu)造特征。對(duì)一些判斷板塊構(gòu)造開始的依據(jù)，如3 Ga后金伯利巖中出現(xiàn)榴輝巖成分包裹體（Shirey and Richardson, 2011），也可以解釋為早期熱俯沖角度較小，沒有達(dá)到榴輝巖相深部（Windley et al., 2021）；此外金伯利巖中被認(rèn)為屬于俯沖帶成因的碳同位素組成，通過許多非俯沖的地幔過程也能得到（Dewey et al., 2021）。因此還需進(jìn)一步評(píng)估這些地質(zhì)依據(jù)對(duì)于判斷板塊構(gòu)造開始的可靠程度。此外，對(duì)太古宙陸殼形成是否標(biāo)志著板塊構(gòu)造起源，板塊構(gòu)造與滯殼構(gòu)造的交替過程和機(jī)理，地球表面如何從單板塊破裂成眾多板塊，熱流活動(dòng)、溫度冷卻、巖石圈強(qiáng)度變化以及水的存在對(duì)地球構(gòu)造體制演化的控制作用等問題，目前也存在較大爭(zhēng)議。這可能是未來地球早期構(gòu)造體制的熱點(diǎn)研究方向。

4 主要認(rèn)識(shí)

（1）在地球早期構(gòu)造體制研究方面，目前學(xué)術(shù)界主流的觀點(diǎn)正在進(jìn)行從最初的均變論（即地球從形成以來一直存在板塊構(gòu)造）到地球早期為滯殼構(gòu)造（非板塊構(gòu)造）觀點(diǎn)的轉(zhuǎn)變。一般認(rèn)為在始、古太古代或者冥古宙晚期巖漿洋冷卻后，地球構(gòu)造模式以垂向滯殼構(gòu)造為主，可能間或有一些幕式橫向構(gòu)造作用。

（2）對(duì)于地球早期滯殼構(gòu)造的作用機(jī)制，提出的主要模式有熱管構(gòu)造模式、地幔反轉(zhuǎn)模式、深成粘蓋模式、蓋—板構(gòu)造模式。這些模式的關(guān)鍵在于如何解釋太古宙大陸的形成、早期地球熱量釋放以及太古宙地質(zhì)記錄中的類似俯沖帶與造山帶的特征。其中深成粘蓋模型中巖漿侵入所形成的早期“板塊”與蓋—板構(gòu)造模式所提出的“原板塊”可能代表了地球從滯殼構(gòu)造向早期板塊構(gòu)造的轉(zhuǎn)變。

（3）隨著地球冷卻，巖石圈強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，可能于3.2 Ga開始發(fā)生滯殼構(gòu)造向板塊構(gòu)造演變。從滯殼構(gòu)造轉(zhuǎn)化為板塊構(gòu)造是漸變的，可能發(fā)生從熱管構(gòu)造到深成粘蓋或蓋—板構(gòu)造再到早期板塊構(gòu)造的轉(zhuǎn)變，一直持續(xù)到古元古代。由于早期地球溫度比現(xiàn)在高很多，巖石圈強(qiáng)度較弱，俯沖角也較小，因此早期板塊構(gòu)造特征可能與現(xiàn)在的板塊構(gòu)造非常不同，俯沖作用可以稱之為“熱俯沖”。隨著地球進(jìn)一步冷卻，現(xiàn)代“冷俯沖”構(gòu)造樣式在新元古代最終形成。

從國際研究趨勢(shì)來看，目前的熱門研究方法已從地質(zhì)證據(jù)的考察向高精度數(shù)值模擬轉(zhuǎn)變，因此大力開展與地質(zhì)制約相結(jié)合的數(shù)值模擬研究將是未來追趕國際學(xué)術(shù)前緣的重要手段。另外，隨著深地探測(cè)與行星觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，可能會(huì)為板塊構(gòu)造起源這一問題提供更多來自深部和宇宙的證據(jù)。

致謝：兩名匿名審稿人對(duì)本文提出了許多寶貴意見，在此致以誠摯的謝意。