大陆生长新方式推动地球早期大气氧化

地球早期的板块构造样式及其与地球早期大气氧化的联系是地球科学研究的热点。在太古宙-古元古宙过渡期间地球氧化与大陆快速生长的耦合现象早有报道，但缺乏两者关联的直接证据。地质过程与矿产资源国家重点实验室Tim Kusky和王璐教授引领的团队最近在本领域研究获得新进展。论文发表在《自然通讯》上，第一作者为中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室2021级直博生、地球科学学院国际菁英班2021届本科毕业生彭雅莹，共同通讯作者为Timothy Kusky和王璐教授。

造山带及周缘沉积层序有助于建立造山过程和地表变化之间的联系。该团队长期在华北克拉通中部造山带东缘开展大地构造研究，并在赞皇地体报道晚太古代板块横向汇聚边界典型判别标志-华北最古老的构造混杂岩带和大规模板块水平运动形成的巨型逆冲推覆体（图1）。赞皇地体古板块汇聚边界东缘沉积层序长期以来被认为是东部陆块之上的被动大陆边缘沉积（图1），而晚太古宙中部造山带的洋弧通过汇聚增生在东部陆块之上。

最近，Kuksy教授引领的团队对于该沉积层序进行详细野外构造-岩石填图、层序地层学和年代学综合研究，获得新的突破性认识：发现这套沉积层序并非是传统威尔逊旋回中大陆裂解阶段形成的被动陆缘，而是在多岛弧拼贴、大陆汇聚生长到稳定过程中形成；通过全球对比，他们提出一种新型被动陆缘形成机制，揭示其对浅部环境氧化的推动作用。新型被动陆缘形成机制是，大洋弧之间碰撞拼贴使地壳变厚并上升到海平面，从而创造一个稳定的浅水平台，当大陆从地球早期太古宙海洋中浮现时，光合产氧生命即可在其中大量繁殖。从而首次提出太古宙-古元古宙构造和地表环境剧变的耦合现象源自板块构造对地表环境的改造作用。

基于野外构造解析、岩石学和沉积相恢复的研究，这套由变砂岩、石英岩、变泥质岩和厚层大理岩组成的层序确定为初始大陆（增生和加厚的大洋岛弧）边缘快速沉降形成浅海大陆架环境下的沉积。然而，碎屑锆石指示其发育时间短（仅~50 Ma， 图2），形成于汇聚板块边缘的岛弧增生过程；但现代板块构造理论中，被动陆缘通常被认为发育于大陆裂解后的离散型板块边缘，且需要经历更长发育周期（~180 Ma）。综合未发现裂解证据的地质事实，以及该地区持续发生岛弧碰撞拼贴的地质背景，该被动大陆边缘不属于大陆裂解成因，而是直接形成于岛弧拼贴增厚后的沉降过程（图3）。

被动大陆边缘形成的浅海环境，以及岛弧不断增生和浮出水面提供的物源营养，有利于光合生物的大量繁殖和发育，因此可形成局部的“氧气涌”。由此，提出一种“增生岛弧碰撞后沉降”的新型被动大陆边缘形成机制。全球太古宙数据统计对比指示，这种类型的被动大陆边缘沉积在其所属的大陆（克拉通）形成和稳定前可大量发育（图4），并同时引起氧气波动。而在太古宙-古元古宙过渡期间横向板块构造运动、大量岛弧拼贴引起的大陆生长，很可能是触发古元古宙早期全球大氧化的原因。

论文信息：Peng, Y., Kusky, T., Wang, L., Luan, Z., Wang, C., Liu, X., Zhong, Y., Noreen J.E., 2022, Passive margins in accreting Archaean archipelagos signal continental stability promoting early atmospheric oxygen rise. Nature Communications 13, 7821. doi.org/10.1038/s41467-022-35559-w

图1. 沉积岩层序所在地区地质图。(a) 研究区位于华北克拉通中部造山带和东部陆块交界处。（b）赞皇地区地质图。（c）赞皇地区弧陆碰撞造山带构造剖面图，研究的地层层序所在的位置（C-D）。（d）沉积层序出露区地质填图。

图2. 沉积层序的建立（左）及碎屑锆石类最大沉积岩年龄的约束结果（右）。多种计算方法中，YC2σ（绿色圆形）是最优计算结果，用于最终的年龄约束（2560-2510 Ma）

图3. 赞皇被动陆缘形成的大地构造演化示意图。其形成机制与汇聚板块边界中的弧前盆地特征不符，不受到海向（现今西向，图左）岛弧迁移的影响，而是受制于陆向（现今东向，图右）岛弧碰撞增生的过程。该被动陆缘没有经历大陆裂解过程，而是直接形成于拼贴岛弧背缘的沉降过程。

图4. 全球太古宙数据统计图指示 “增生岛弧背缘沉降型大陆被动边缘（紫色圆）”在其所属的大陆/克拉通形成和稳定前期（黄色）大量发育沉积，并同时引起氧气波动。GOE: 全球大气氧化事件，AOE:太古宙大气氧化事件.