论文简介：Ning, W. B., Kusky, T.M., Wang, L., Huang, B. 2022. Archean eclogite-facies oceanic crust indicates modern-style plate tectonics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, https://doi.org/10.1073/pnas.2117529119.

板块构造理论是当今地球科学界最重要的理论之一。板块构造通过汇聚板块边缘的俯冲作用和洋中脊岩浆作用将地球表面和内部各个圈层联系起来，是地球内部热耗散的重要机制，也是宜居地球形成的最重要的主控因素。关于板块构造的启动及其演化，是地学界的国际前沿和热点话题。目前主流观点认为，随着地幔的不断冷却，岩石圈厚度及强度发生改变，板块构造样式也随之不断发生变化，从古代板块构造转变为现代板块构造。在现代板块构造背景下，俯冲带变质作用典型产物是高压/低温变质的榴辉岩。由于太古宙尚未发现榴辉岩或榴辉岩相变质的地壳岩石，关于现代板块构造是否在太古宙启动，一直是个未解之谜。

中国地质大学（武汉）全球大地构造中心主任Timothy Kusky（蒂姆·科斯基）教授带领的团队，在全球大地构造理论和方法的指导下，通过多年野外精细填图、室内变质岩石学、岩石地球化学和地质年代学等综合研究，首次发现并报道了华北克拉通遵化构造带内出露的新太古代末期（~2.5 Ga）造山型榴辉岩相变质残留洋壳，这是地球上目前已知最古老的俯冲洋壳形成的石榴单斜辉石岩。这个发现为“现代板块构造在太古宙就已启动”提供了关键岩石学证据。

该研究团队通过多年系统研究，在冀东杂岩遵化构造带内识别出了一套具有典型“基质夹岩块”特征的岩石组合，类似于现今增生型造山带中的混杂岩（Kusky等, 2020）。对该混杂岩进行多学科综合研究表明，它是一套在新太古代末期（2.52–2.50 Ga）侵位的含弧前蛇绿岩残片的混杂岩（图1），命名为遵化-上营蛇绿混杂岩（Kusky等, 2010; J.P. Wang等, 2019; W.B. Ning等, 2020; Y. Huang等, 2021）。

遵化-上营蛇绿混杂岩中的岩石团块主要包括变辉长岩、变玄武岩、变辉绿岩、蛇纹石化橄榄岩、角闪石岩、石榴单斜辉石岩等。这些岩块大小不一，散布在以黑云斜长片麻岩和辉石角闪斜长片麻岩为主的基质中。综合基质片麻岩的野外特征，岩相学及主微量元素成分含量，这些片麻岩的原岩很可能是杂砂岩，夹少量变火山岩和变泥质岩。Bai等(2016)报道了遵化侯家寨地区片麻岩的锆石U-Pb定年结果，显示其碎屑锆石的最大沉积年龄为2517 ± 20 Ma；Wang等(2019)通过碎屑锆石U-Pb年代学分析，认为遵化毛家厂地区副片麻岩的原岩沉积于2522 ± 32 Ma之后，并经历过约2.46 Ga的变质事件。Ning等(2020)进一步对遵化西下营地区的副片麻岩进行锆石U-Pb定年，得到类似结果。由此，混杂岩基质很可能沉积于2.52 Ga之后，结合切穿混杂岩基质的后期岩脉（辉绿岩脉、花岗质岩脉和石英脉）年龄（Kusky等, 2021），限定该混杂岩侵位于2.52–2.50 Ga之间（图2）。

本文对该混杂岩中变辉长岩团块及其包裹的石榴单斜辉石岩进行全岩主微量元素分析，结果表明它们具有N-MORB（正常洋中脊玄武岩）的地球化学特征。此外，变辉长岩中锆石Hf同位素显示出亏损地幔的源区特征，且野外发现变辉长岩具有层状和均质两种产状，这些特征与现代洋壳中辉长岩的特征一致。石榴单斜辉石岩的MgO、SiO₂、Al₂O₃和Ni等主微量元素特征（图3），也表明其由大洋辉长岩变质而来。

图1. 华北克拉通构造划分及上营地区地质图。

注意：遵化-上营蛇绿混杂岩中变辉长岩团块核部包裹石榴单斜辉石岩。

图2.遵化含豆荚状铬铁矿蛇绿混杂岩内各岩石单元年代学关系汇总 （Kusky et al., 2021）。

图3. 石榴单斜辉石岩的主量元素与大洋辉长岩和幔源堆晶辉石岩对比图。

上营石榴单斜辉石岩具有低MgO和高Al₂O₃含量，类似于现代大洋辉长岩。绿色为变辉长岩样品，橙色为石榴单斜辉石岩。

图4. 上营变辉长岩和花岗岩脉的锆石U-Pb年龄和Lu-Hf同位素组成。

（A-B）两个变辉长岩的锆石阴极发光（CL）图像和锆石年龄协和图解。（C）切穿变辉长岩的花岗岩脉的锆石CL图像和锆石年龄协和图解，可提供变辉长岩变形和变质的年龄下限。（D） 变辉长岩的锆石Lu-Hf同位素组成。Hf同位素绘制了¹⁷⁶Lu/¹⁷⁷Hf比值为0.025的大洋地壳演化线。

对变辉长岩及切穿变辉长岩面理的花岗质岩脉进行锆石U-Pb定年。两个变辉长岩样品中岩浆锆石的加权平均年龄分别为2528 ± 30 和 2522 ± 15 Ma，与遵化-上营混杂岩带内其他岩石团块（如橄榄岩，铬铁岩，变辉绿岩）的年龄类似，代表了混杂岩团块的形成年龄。两个辉长岩内的变质锆石则分别记录了2471 ± 38和2474 ± 26 Ma的变质年龄。此外，切穿变辉长岩面理的花岗质岩脉获得的锆石结晶年龄为2468 ± 23Ma，限定该期变质作用主要发生于2.47 Ga之前（图4）。

石榴单斜辉石岩主要由石榴石（35-40 vol.%）和单斜辉石（50-55 vol.%）组成，其次为钛铁矿和磁铁矿，还有少量细颗粒的斜长石，石英。副矿物包括榍石和金红石。岩相学观察表明石榴单斜辉石岩保留了从进变质、峰期到峰期后退变质的多期矿物组合。通过多种矿物对的主微量元素温压计限定出其峰期矿物组合（石榴石核部+单斜辉石核部）的变质温压条件为792–890°C/1.98–2.45 GPa，达到榴辉岩相变质级别。此外，石榴单斜辉石岩的岩相学显微结构同样指示了UHP-HP的峰期变质条件，如石榴石表面出溶针状金红石、单斜辉石表面出溶带状石榴石以及自形钛铁矿中部被富Al榍石分离等现象（图5）。

图5. 石榴单斜辉石岩的岩相学照片。

注意图K中石榴石出溶针状金红石，图L-M中单斜辉石出溶带状石榴石。

综合以上研究成果，本文确定遵化-上营蛇绿混杂岩中的石榴单斜辉石岩和变辉长岩团块代表了俯冲的太古宙洋壳。该俯冲洋壳在65-70 km深度处发生榴辉岩相变质作用，随后断离并在俯冲隧道中发生差异性折返，构成蛇绿混杂岩（图6）。

图6. 新太古代末-早元古代初遵化-上营蛇绿混杂岩的形成演化模式图。

该研究团队在华北克拉通中部造山带发现一系列新太古代汇聚板块边界典型及判别性地质证据，包括：（1）北部建平-遵化构造混杂岩、中部赞皇杂岩内的构造混杂岩和大型逆冲推覆体-鞘褶皱构造；（2）南部登封杂岩内的俯冲-增生杂岩及双变质带；（3）在构造混杂岩内部保留的俯冲起始岩浆的岩石学证据等（Peng et al., 2020; Wang et al., 2013, 2017, 2019; Zhong et al., 2021, 2022; Deng et al., 2016, 2019, 2021; Huang et al., 2019, 2020; Ning et al., 2020）。结合这些证据，可见新太古代末期地球已存在大规模的斜向俯冲，该俯冲带可长达1600 km，且存在洋壳深俯冲（图7）。

图7.华北克拉通冀东杂岩内遵化-上营蛇绿混杂岩中石榴单斜辉石岩的变质阶段的温压条件及P-T轨迹。注意峰期变质阶段（M2）的温压条件达到了榴辉岩相系，指示新太古代末期洋壳的俯冲深度可达65-70 km。结合在华北克拉通中部造山带北部发现的建平辉石岩混杂岩，中部赞皇构造混杂岩及南部登封杂岩内新太古代末的双变质带，表明新太古代末期已存在大规模的板块水平运动（俯冲带可长达1600 km）,并在局部存在洋壳深俯冲。

本文报道了目前已知最古老的造山带洋壳型榴辉岩相石榴石辉石岩，峰期变质温度压力条件对应的变质T/P比值为372-400°C/GPa、地热梯度为11.2-12.0°C/km，这在已知太古宙变质地热梯度中是最低的。这个结果将之前学界公认的榴辉岩相变质作用时间提前400 Ma，同时表明在新太古代末期洋壳已经能够俯冲到至少65-70 km深度，标志着现代板块构造在太古宙末期就已经启动。论文于2022年4月4日发表在国际著名综合类期刊《PNAS》（《美国科学院院刊》）。论文第一作者为中国地质大学（武汉）地球科学学院博士生宁文彬，共同通讯作者为地球科学学院和地质过程与矿产资源国家重点实验室蒂姆·科斯基教授和王璐研究员，合作作者为湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站黄波副研究员。

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作者：宁文彬，王璐