固体地球科学面临的七大挑战(中)

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作者简介:孙卫东,男,1966年出生,研究员,博士生导师,主要从事元素地球化学性质与成矿规律研究。现任矿物岩石地球化学学会同位素专业委员会主任;创办Solid Earth Sciences,任主编,任Acta Geochimica常务副主编、GCA及《地球化学》副主编。

Solid Earth Sciences 在创刊号中提出了固体地球科学所面临的7大挑战性的科学难题:

(1)地球内部的结构和组成 (the structure and composition of the Earth's interior);

(2)月球的形成 (the formation of the Moon);

(3)岩浆海的演化 (the evolution of the Magma Ocean);

(4)板块构造运动的起始 (the origin of plate tectonics);

(5)地幔柱的本质 (the nature of mantle plumes);

(6)生命的起源与演化 (the emergence and evolution of life);

(7)超大型矿床的形成 (the formation of giant ore deposits).


04

板块构造运动的起始

板块构造理论是1967年正式提出的,迄今整整50年。该理论是固体地球科学的基石,与相对论、量子力学和DNA双螺旋结构一起被称为20世纪自然科学四大进展。


板块运动可以概括为两个字:“生”和“死”。生是指在扩张洋脊不断形成新的洋壳;死则是指在俯冲带板块不断消亡。由于地球体积变化很小,其表面积变化不大,因此新形成的洋壳面积与消亡的洋壳面积大体是一致的。目前,洋中脊每年形成约18立方千米的洋壳,按照洋壳平均厚度6千米计算,应该有3平方千米的新生洋壳。


板块构造理论是在观察到了洋脊扩张、磁条带异常、板块俯冲、转换断层等很多无可辩驳的事实的基础上得到承认的。但是板块构造理论存在着很多未解之谜,其中,板块运动是什么时候开始的是一个争论的热点问题。


最初地球是这样的:一个大火球。


(网上图片)


现在地球是这样的:

(网上图片)

 

两者之间差了一个板块俯冲:

(网上图片)


板块运动是怎么开始的?什么时候开始的呢?


科学家们观点“囧”异:

对于第一个问题,目前主要有两种不同认识:主动俯冲和被动俯冲。


主动俯冲的基本思路就是板块侧向浮力差异造成俯冲。


代表性的文章是海洋所千人计划牛耀龄研究员在2003年提出的。


被动俯冲的代表性认为是国际大火成岩省主席Ian Campbell,其基本模型是大火成岩省可以是岩石圈发生公里级的抬升,造成板块破裂和侧向滑移,引起俯冲。这种观点与本人的观点接近 (Sun et al., 2007, EPSL)。



Campbell 等人1991年提出的大火成岩省引起岩石圈公里级抬升


为了验证板块俯冲起始机制,国际大洋钻探计划在伊豆小笠原俯冲带设立了3个航次。

国际大洋钻探计划IODP在伊豆小笠原俯冲带执行的3个钻探航次,初步结论是支持主动俯冲。

关于板块俯冲起始时间的问题主要有:

Korenaga 2013 总结的关于板块运动起始时间的主要观点


近年来,很多人认为30亿年时板块运动起始的时间。代表性的工作有:

Dhuime et al. 2012, Science


法国青年学者Dhuime提出,在距今约三十亿年时,大陆地壳的生长速度发生了转折,进而提出这种转折可能是板块俯冲起始的结果。由于俯冲和生长是配对出现的,俯冲起始的时间可以认为是板块运动起始时间。即:地球发生下面的变化:



这种观点有金刚石研究结果的支持。迄今为止发现的与板块俯冲相关的金刚石的年龄均小于30亿年。


Shirey & Richardson, 2011,Science

 

地球化学研究也支持30亿年开始板块俯冲:太古代沉积物的Ni/Co and Cr/Zn 比值显示在30亿年前,大陆地壳是基性的,后来变为酸性的。转折点也在30亿年左右(Tang Ming et al.,2016, Science)

 



本人同意板块俯冲对大陆地壳的形成至关重要(Xiao et al., 2006, GCA, Ding et al., 2009, IGR; 2013, J Geology; Liang et al., 2009, Chemical Geology)。但是大陆地壳与板块俯冲之间还是隔着一道坎:俯冲形成岛弧岩浆,岛弧岩浆演化、改造、拼贴到大陆上。


有一种观点认为,只有陆块碰撞时形成的岩浆才能很好地保存下来。下图是碎屑锆石的年龄分布图。可以看出大陆地壳的生长历史似乎是阶段性的。但是板块俯冲并无此类阶段性。所以,板块俯冲究竟是什么时候开始的尚未解决。


Voice et al. 2011, J Geology


个人认为30亿年是板块运动起始的一个年龄下限。例如,Rb/Sr比值变化的拐点发生在35亿年前。另外,Rb/Sr比值在大约18亿年前和10亿年前又有两次转折。原文作者认为是反应了陆壳厚度。但是陆壳厚度是否在18亿年前和10亿年前发生转折尚有待深入研究。当然,这个统计图的误差很大,曲线和拐点的含义有待深入挖掘。



Green 2010 Nature图

Dhuime et al., 2015, Nature Geoscience


05

地幔柱假说:争论仍在进行

地幔柱假说提出45年了。但是地幔柱的本质是什么仍然存在争议。地幔柱假说仍然无法上升为理论。Science在创刊125周年时提出的125个科学难题中,第10个难题是:地球内部如何运行。“板块运动”和“地幔柱的本质”都与这个难题密切相关。


地幔柱是在板块构造理论发展过程中被提出来的。板块运动可以合理解释板块边缘的地质现象,但是对板内地质现象的解释存在很大的短板。地幔柱假说就是为解释板内岩浆活动而提出来的。地幔柱有两大主要产物:地幔柱头-大火成岩省、地幔柱尾巴-火山岛链、海山链。


1.    热点与地幔柱

在大洋板块内部有很多的海山。早在1946年,Hess就提出平顶海山是板块扩张的重要证据。1963年,JTuzo Wilson 进一步支持这种观点。他根据夏威夷-帝王岛链的展布,提出了热点假说。根据Wilson的假说,热点位于地球深部,不受板块运动影响,因此保持不动。随着板块移动,热点活动不断导致火山喷发,形成海山链。


Wilson和热点模型


 Wilson的热点假说存在2个大的问题:一是地幔是对流的,热点如何在对流的地幔中保持空间位置稳定?二是热点的能量来自何处?

 

Jason Morgan1972年提出地幔柱模型


为此,Jason Morgan提出了地幔柱假说。与Wilson的热点假说最大的差别是,Morgan将岛链的起源移到了核幔边界。核幔边界可以提供热量:地核结晶可以产生热。由于地核的密度远远高于地幔,因此地核的热量不能通过对流进入地幔,这样就形成了一个大的热边界,有利于形成地幔柱。而且由于核幔边界的位置不易受地幔对流的影响,可以解释地幔柱空间位置相对稳定的特点。


因此,地幔柱假说迅速地被广泛接受。但是,地幔柱假说一直没有得到证明,无法上升到理论。地幔柱是否存在?其源区在哪里?这些问题并未得到证明。

 

此外,在地幔柱上升的过程中,地幔对流对“柱体”仍然可以有影响,事实上,这种模型仍然没有从根本上解决为什么地幔柱保持不动的问题。


当然,越来越多的研究表明,地幔柱是可以动的。


2.    俯冲板片再循环模型

1982年,著名地球化学家AW Hofmann和他的博士后Bill White提出,地幔柱是俯冲板片再循环的产物。这种模型得到广泛的响应。


有意思的是,地球物理在非洲和太平洋下面发现了2个大的低速区(推断有部分熔融),分别命名为Jason和Tuzo,以纪念Jason Morgan和Tuzo Wilson两位对板块运动做出巨大贡献的前辈。根据高温高压实验,俯冲洋壳在核幔边界可以发生部分熔融。这两个速度异常区可能与俯冲到下地幔的洋壳有关。研究发现,全球主要的大火成岩省在喷发的时候都是在这两个异常区的上方。与俯冲洋壳再循环的模型吻合。

 

Hofmann和板块再循环模型


挪威科学家通过板块再造研究发现,产金刚石的金伯利岩也有类似的特点:几乎所有的金伯利岩在喷发时位于核幔边界的两大超级低速省的上方,暗示两者的成因联系。



全球大火成岩省与核幔边界低速区的对应关系(Burke & Torsvik, 2004, 2008)


金伯利岩在喷发时也位于核幔边界速度异常区(Torsvik et al., Nature 2010)

 

地球物理成像显示俯冲板块可以穿越上下地幔边界,到达核幔边界


另一个与此相关的观察是:俯冲板片可以俯冲到下地幔,甚至直达核幔边界。如果俯冲板片能进入下地幔,则下地幔物质必然要进入上地幔。

 

地球物理成像显示地幔柱下方的热异常可以直达核幔边界


地震层析成像显示很多地幔柱的热异常都深入核幔边界。


上述现象均与俯冲再循环的模型匹配,支持地幔柱假说。但是并不能证明地幔柱假说。


3.    反对地幔柱假说

地幔柱与板块构造的对比。一般认为板块运动是水平运动的表现形式,地幔柱是垂向运动的主要表现形式。但是也有人将两者对立起来


关于地幔柱的争论一直没有停止。国际上甚至成立了一个反对地幔柱的联盟。

 

俯冲洋壳在下地幔的密度变化曲线 (Niu and O’Hara 2003)


中国科学院海洋研究所千人计划牛耀龄教授对俯冲板片再循环模型提出了深入的批判。其核心内容之一就是密度陷阱:俯冲到下地幔后,俯冲板块上的玄武岩形成的高压相密度大于周围的地幔橄榄岩的高压相,不能回返。


硅酸盐熔体在下地幔的密度变化曲线 (Niu and O’Hara 2003)

 

同时部分熔融的熔体密度也高于周围地幔岩,不能回返。因此,下地幔是一个俯冲洋壳的“墓地”。


4.    矿物分离模型



矿物分离模型图(Sun et al., 2011 International Geology Review


本人通过地球化学研究,认为地幔柱中有俯冲再循环的物质。俯冲洋壳如果在下地幔不再上来,其体积要远远超过现在观察到的Tuzo和Jason两个低速省。那么,俯冲到下地幔的物质是如何以地幔柱的形式再循环的?


该模型认为俯冲到核幔边界的洋壳发生变质后,主要由4种矿物组成。事实上,地球物理研究认为,在核幔边界的超级低速省内就有部分熔融。少量部分熔融即可以将“岩石”变为不同矿物松散集合的“沙堆”,这些沙堆本身会受到地幔对流的扰动,不同密度的矿物会发生分离,比重小的矿物,如斯石英,可以上浮。此后的研究显示,在核幔边界,石英作为强的助熔剂,可以大幅度降低地幔岩石的固相线、提高地幔岩石的熔融比例,能够合理解释地幔柱头的强大熔融能力和大火成岩省的形成。


高温高压实验显示俯冲洋壳在核幔边界会发生部分熔融,支持这种模型。该实验也显示,石英的固相线低于其他矿物,如果核幔边界有富硅熔体产生,则这种熔体更容易行使助熔剂的角色。这一切都有待进一步研究。


06

生命的起源与演化

生命起源是一个永恒的话题。很多人认为生命起源是生物学课题,与地质学家无关。但是,如果生命起源是在地球上发生的,那么生命起源就离不开地球科学。


下图澳大利亚发现的古老化石:35亿年前形成的叠层石,形成这种化石的过程现今仍在继续。


澳大利亚35亿年前形成的叠层石,地球早期的化石


在研究生命起源的众多努力中,最有名的是1953年发表的,美国芝加哥大学研究生斯坦利?米勒利用设计的火花放电实验装置,合成了氨基酸。米勒当年只有23岁,师从同位素地球化学创始人、诺贝尔奖得主尤里(Harold Clayton Urey)。1954年,米勒因此获得博士学位并找到了工作,此后一生从事此类工作。带了J Bada等学生。因为其合成氨基酸的工作,米勒一生多次被提名诺贝尔奖,但是一直没有获得。2007年米勒去世。


Stanley Miller利用火花放电合成氨基酸的实验装置和老年的S. Miller


上图米勒的实验装置图。米勒将甲烷、氨、氢、水蒸气等气体泵入密闭的装置内,模拟原始地球的闪电,通过火花放电,合成了大量的氨基酸,种类包括谷氨酸等5种。后来的实验发现,火花放电可以合成33种氨基酸。


发表逸事:米勒向尤里汇报其结果后,尤里认为应该立即发表。但是尤里拒绝署名。他认为如果他署名,米勒的功劳将很难获得应有的认可。所以,文章是米勒独立作者。1953年2月10日,投稿Science。到2月27日,稿子还没有送审,尤里写信给Science的主编,询问论文进度,没有回音。到3月13日,尤里生气了,写信要求退稿,同时,他亲自将稿子投JACS(美国化学学会会志)。Science主编被尤里刺激了,直接通知米勒文章被接收。


美国著名化学家,同位素地球化学和宇宙化学的创始人、1934年诺贝尔化学奖得主尤 里(Harold Clayton Urey, https://en.wikipedia.org/wiki/Harold_Urey). 


尤里在化学领域的主要贡献是发现氘,并因此获得诺贝尔奖。在著名的曼哈顿计划(Manhattan Project),重水和几乎所有的铀235的富集方法的发明(除了电磁法)都与尤里有关。其中包括现在常用的逆流离心法。


有一种观点认为,在火山喷发时,可以有大量的还原性气体,同时雷雨交加,是合成氨基酸的最佳天然过程。


米勒火花放电合成氨基酸证明了从无机物合成有机物是有可能的,被认为是生命起源的重要步骤。但是,氨基酸与生命之间还有很大的鸿沟。此外,生命是否是火花放电产生也受到越来越多的质疑。质疑的主要理由是:火花放电的作用是模拟原始地球大气中闪电过程,但是一般认为原始地球大气是以二氧化碳为主的,不是甲烷、氨、氢等还原性气体。

 

火花放电是常见的自然现象。在地球早期,雷电应该是更常见。而火山喷发时往往伴随着大规模的雷电


反对者的观点认为,生命是低温下合成的亲水氨基酸,火花放电的温度太高,不利于形成有生命活性的氨基酸。因此,很多人转而研究海底热液过程。


海底热液系统


海底热液体系有丰富的生物,这些生物不受光合作用影响,而是通过硫细菌、甲烷古菌等支撑生态系统。海底热液生命起源的主要挑战是如何获取氨基酸所必须的氮。


哈雷彗星照片


此外,还有研究认为,彗星在宇宙射线的照射下可以合成氨基酸,是生命起源的重要途径。


论文链接:

http://dx.doi.org/10.1016/j.sesci.2016.06.001


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固体地球科学面临的七大挑战(上)


美术编辑:赵亚楠 

校       对:张燡敏

公众号:中科院地质地球所

ID:dizhidiqiusuo

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