数据驱动地球科学新进展：奇异性理论与大数据方法揭示沉积物俯冲与超大陆聚散耦合机制

【问题】

俯冲作用是板块构造运行的主要驱动力，对地球不同圈层系统（如岩石圈、大气圈、生物圈等）产生了深远的影响，但我们仍然不完全了解深部和地表过程（包括大气）之间通过板块俯冲的相互作用机制。2019年，NATURE发表了Sobolev和Brown（2019）关于“地表侵蚀事件控制着地球板块构造演化”的新观点，他们认为：自30亿年来，由于俯冲沉积物的润滑作用，重大地表侵蚀事件（如雪球事件）导致大陆边缘的沉积物巨量聚集，这些巨量沉积物随之俯冲可能在板块构造的运行甚至是启动中起着不可忽视的关键作用。进一步探索这一假设的一个关键途径是评估大陆衍生的沉积物输送到洋壳的通量历史（Behr，2019），并通过多种地球化学代理（如锆石εHf和O¹⁸同位素）来反映循环到地幔中的浅表物质通量（Keller等，2019）。然而，由于地质记录固有的保存偏差，并缺乏对深时大陆沉积物丰度的定量描述，因此很难利用这些沉积物信息进一步检验上述观点/假设。

图1. 板块边缘的沉积物巨量聚集与俯冲可能在地球板块构造的运行甚至是启动中起着关键作用（Sobolev and Brown, 2019, Nature；Behr, 2019, Nature）

【数据】

长期以来，很多学者曾致力于度量地球历史时期沉积岩的数量和性质及其时空分布规律（Gregor，1970；Peters，2006）。Macrostrat（https://macrostrat.org/）就是这样一项由美国国家基金委资助、威斯康星大学Shanan E. Peters教授领导的沉积物数据库建设工作，该平台使用了超算处理和机器阅读技术收集海量文献中的沉积地层数据，旨在定量分析地壳中现存的沉积岩数量（如体积和面积），其地质年龄可追溯至3.5Ga（Peters等，2018年）。然而，如图2所示，深时沉积物丰度记录的非平稳性和复杂性使得利用时间序列分析方法探索大陆沉积与构造旋回之间的联系变得困难（尤其是前寒武时期），尤其是大型不整合面事件（Great Unconformity）前后（~500Ma）保存下来的沉积岩数量差异巨大。此外，由于与超大陆循环相关的大陆沉积响应机制仍然未知，因此很难从幸存的沉积物丰度信号中探索来自大陆的沉积物输送到洋壳的通量历史。

图2. （a）Macrostrat数据库，（b-c）Macrostrat沉积物记录信号（非指数模式），（d）沉积物丰度的局部奇异性时间序列（幂律模式），（e）沉积物局部奇异性时间序列的小波时频（周期）分析结果。

【方法】

文中采用成秋明院士团队提出和发展的奇异性理论与局部奇异性分析方法，结合小波时频分析和小波相关分析等先进数学方法对非平稳沉积物时间序列数据进行处理和分析。局部奇异性分析 (LSA) 是一种建立在奇异性理论与分形密度模型上的非线性滤波方法，已经被广泛应用分析具有突变性、瞬时性以及局部性特征的复杂时间/空间记录（成秋明，2022）；作为非线性高通滤波器，LSA从沉积物时间序列信号中去除了非线性（非指数函数）趋势，从而得到沉积岩丰度记录的周期波动信号。鉴于在地球历史的大部分时间全球总沉积物通量大致恒定，这一净沉积记录随时间波动可能是由全球板块边界条件变化驱动的，如大陆聚散（Peters和Husson，2017）。沉积物丰度局部奇异性时间序列的小波时频分析表明，在过去的 30 亿年中，存在一个明显的类超大陆旋回周期（~ 500 Myr，图 2c），这意味着威尔逊旋回式的板块构造（Windley等，2021）可能在~3.0 Ga已经运行。

图3. 左：（a）和（b）锆石δ¹⁸O同位素记录和沉积物局部奇异性时间序列的小波相关分析，（c）和（d）锆石δ¹⁸O-εHf同位素平均斜度记录和沉积物局部奇异性时间序列的小波相关分析。右：（a）Macrostrat沉积物记录信号（面积），（b）净沉积物记录和俯冲通量小波相关系数，（c）碳酸盐δ¹³C记录，（d）归一化⁸⁷Sr/⁸⁶Sr记录，（e）大气氧化的两部台阶上升模式。

【结论】

主要研究结论包括：（1）基于Macrostrat沉积物大数据，利用奇异性理论与方法定量表征了35亿以来大陆净沉积量变化，并通过小波时间序列分析发现了净沉积物时间序列中类似于超大陆循环周期波动（500-800 Myr）；（2）揭示了大陆沉积物流入洋壳通量与俯冲活动强弱（以锆石εHf和δ¹⁸O同位素为特征）具有同步性，证明了大陆边缘的沉积物聚集与俯冲润滑作用有效促进了威尔逊旋回式板块构造的运行；（3）自30亿以来，板块碰撞与俯冲作用下沉积物循环机制越来越有效，尤其是元古代开始和结束时发生了大规模俯冲润滑事件，揭示了这种深部和地表地质过程协同演化耦合机制有效增加了有机碳在地壳内的长期净固存，从而对触发古元古代和新远古代的两次大气氧化事件（GOE和NOE）产生了不可忽视的重要影响。

【总结】

本文创新地运用奇异性理论与分析方法解决了地质历史时期净沉积物通量的定量表征问题，为“沉积物俯冲影响了板块演化进程”这一假设提供了重要的支持论据，并提出了“沉积物巨量聚集与俯冲参与触发两次大气氧化事件”的新观点和新机制，是数据密集型驱动科学发现、未知问题未知答案的重要实例。到目前为止，奇异性理论在多种极端事件定量表征、模拟以及预测研究中到得到了成功应用，包括成矿、岩浆、沉积（本文）、地震、洪水、洋中脊热异常等，并解释了超大陆聚散周期、大陆地壳演化、板块俯冲、板块裂解等机制（成秋明，2022）。

研究成果近期发表于国际学术期刊Earth Planetary Science Letter（陈国雄，成秋明^*，Shanan E. Peter, Christopher J. Spencer, 赵默雷. Feedback between surface and deep processes: Insight from time series analysis of sedimentary record [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 579: 117352. DOI: 10.1016/j.epsl.2021.117352。

参考文献

成秋明. 2022. 极端地质事件定量模拟与预测. 中国科学：地球科学. https://doi.org/10.1360/SSTe-2021-0247.

Behr, W., 2019. Role of major erosion events in Earth’s dynamics. Nature 570, 38-39.

Gregor, B., 1970. Denudation of the continents. Nature 228, 273.

Keller, C.B., Husson, J.M., Mitchell, R.N., Bottke, W.F., Gernon, T.M., Boehnke, P., Bell, E.A., Swanson-Hysell, N.L., Peters, S.E., 2019. Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity. Proceedings of the National Academy of Sciences 116, 1136-1145.

Peters, S.E., 2006. Macrostratigraphy of North America. Journal of Geology 114, 391-412.

Peters, S.E., Husson, J.M., 2017. Sediment cycling on continental and oceanic crust. Geology 45, G38861.38861.

Sobolev, S.V., Brown, M., 2019. Surface erosion events controlled the evolution of plate tectonics on Earth. Nature 570, 52.

Windley, B.F., Kusky, T., Polat, A., 2021. Onset of plate tectonics by the Eoarchean. Precambrian Research 352, 105980.