谢云云邀，但我不是研究这个的专家，而且快出野外了没太多时间详写，说几点：

1.题目描述正确，不是伪命题，地球是太阳系内侧 5 大硅酸盐天体（经评论提醒有 6 大，考虑木卫 1 的情况下）中目前唯一有板块构造的一枚；

2.水非常关键，涉及岩石熔点与强度的降低、减小地幔粘滞度、花岗岩类的形成等等，进一步影响陆壳洋壳的分开，但不是唯一因素，不过可以作为必要条件之一，其他的关键因素还有岩石圈的密度等，单就此题而言我回答一句“嗯呐”估计也没多少人反驳我；

3.板块运动的本质就是星球热逸散或者丢开能量的一种方式，应注意其启动时间，并且地球是以上五个天体中最大的一个，体积大小势必影响其散热方式之特殊、冷却时间之更加漫长；

4.大多数人都认为地球并不是一开始就有板块构造的，岩浆海之后起初的状态应该也是静止盖层，地球发展到一定阶段才选择了板块构造这种更有效的散热机制。

有空再补充，感兴趣多读读文献，一大堆。

我还会回来的~嗷

==========更新一张图放在前面=============

比较喜欢下面这张总结，来源忘了，是不同构造体制的模型、特征、表现以及实例，从左到右是硅酸盐行星的一生。英文比较好懂，不翻译啦：

=======关于板块构造启动时间的讨论分割线=======

粘贴一下之前的读书报告（我和同学 Wiki 一起写的），关于启动时间的，没兴趣的可直接看结论，1Ga 是十亿年；写的很一般，估计也没人会抄。。

板块构造启动时间的地球化学制约

eliton

摘要：板块构造是地球现阶段在太阳系类地行星中独有的构造运动特征，是地球演化到一定阶段的产物，对现代板块构造启动时间的限定是了解地球演化历史的关键。不同学者运用各类地球化学指标并对大量地球化学数据进行统计分析，探讨了现代板块构造启动的时间和地球早期动力学演变。本文主要对部分利用地球化学数据库探讨板块构造启动时间的文章进行总结，并讨论 Ni/Co、Cr/Zn、Sr-Nd-Hf-O 同位素等若干地球化学指标的含义，以判断可能的板块构造启动时间。总结认为，在~

3.0 - 2.7 Ga：(1)

上地壳总体成分由镁铁质转变为长英质(Tang

et al., 2016)；(2)

初生地壳平均组成由镁铁质转变为中性，厚度显著增加(Dhuime

et al., 2015)；(3)

(Shirey & Richardson, 2011)；(4)

大陆地壳生长速率急剧降低，表明地壳生长方式的急剧变化(Dhuime

et al., 2012)。尽管对于这些地球动力学过程剧变的分辨和诱发机制解释方面存在一些争论，但是总体上看~3.0Ga 是地球动力学过程变化的一个重要转折期，板块构造的启动目前看来是最可能的解释。因此，板块构造的启动时间可能在~3.0Ga。

一、序言

板块构造的存在是地球区别于其它太阳系类地行星的最主要特征，然而无论板块构造的启动机制如何，大多数学者认为地球形成最初并不存在板块构造系统（Stern，2007；Condie, and O'Neill 2010；Næraa et al., 2012），因此板块构造的启动时间成为一个涉及地球演化的关键地球科学问题。从地质学角度限定板块构造启动时间通常采用俯冲过程派生的地质记录的最早出现时间来限定，例如：榴辉岩（Mints et al., 2010）、双变质带（Brown, 2014）和蛇绿岩（Kusky et al., 2001）等。然而早期地质记录的不完整性导致这类方法往往只能给出有限的限定，另外关于太古宙榴辉岩和蛇绿岩的真实性还存在诸多争议（Zhai et al., 2002, Zhao et al.,

2007）。

另一方面，大陆地壳是对地球过去历史的主要记录载体，地壳早期性质的剧烈演化标志着构造体制的转变，然而地壳最初是何时形成、如何形成的仍有争议，并且由于构造活动的改造与剥蚀作用，地壳中很早以前形成的物质现今可能不复存在（Lee and Mckenzie, 2015），因而地壳的早期演化与板块构造作用密切相关。Sylvester 等人（1997）即利用 Nb/U 比值证明了西澳 Yilgarn 克拉通晚太古代（2.7Ga）玄武岩的地幔源区是亏损的，与现今亏损地幔性质（Nb/U=47）接近，在 2.7Ga 以前形成的大陆地壳数量与现今接近。这暗示了在 2.7Ga 左右俯冲作用可能已经发生，尽管研究存在一定局域性（Hofmann, 1997）。

过去的近三十年，分析技术与仪器的精进极大地丰富了现有的地球化学数据库，使我们可以通过分析数据库来刻画一些深刻的地球动力学过程。大型地球化学数据库分析往往可以规避一些地质记录不完整的争议，因此可以对地球动力学过程提供更普适的制约。本文通过解读一些地球化学数据库分析（Tang et al., 2016；Dhuime et al., 2015），来尝试探讨板块构造启动的时间。

二、上地壳 MgO 组成剧变时间的限定

测定碎屑沉积岩（如页岩、黄土）是获取现今大陆上地壳地球化学组成的重要方法。Tang 等（2016）借鉴了这一思路，通过对早太古代至今的碎屑沉积物的地球化学组成进行数据分析，进而限定早太古代至今的大陆上地壳组成的变化（Tang et al., 2016）。

MgO 含量(wt.%)是鉴别岩石组分镁铁质程度的重要指标，但是 Mg 在地表风化过程中表现出高度的活动性，因此不能直接用碎屑沉积岩的 MgO (wt.%)来反映当时上地壳真实的镁铁质程度。Tang 等（2016）搜集了世界范围内各个时代的弱蚀变的火成岩的主量元素和微量元素组成的数据，发现 Ni/Co 和 Cr/Zn 和 MgO(wt.%)表现为非常良好的相关性。由于 Ni 对于 Co 和 Cr 对于 Zn 均表现为较好的更低的不相容性，在橄榄石中这几种元素的丰度也相对可观，且这四个元素均在表生环境保持稳定，因此在一定范围内可以借用 Ni/Co 和 Cr/Zn 来限定上地壳的 MgO(wt.%)。

Tang 等（2016）对全球太古宙克拉通火成岩样品使用蒙特卡洛（Monte Caelo）算法建立起 Ni/Co、Cr/Zn 与 MgO(wt.%)定量关系，然后统计全球的碎屑沉积岩的 Ni/Co、Cr/Zn 组成，从而建立起大陆上地壳 MgO(wt.%)随时间的变化趋势（图 1）。依据 MgO(wt.%)，Tang 等（2016）发现在 2.6-3.2Ga 之间上地壳组成总体由镁铁质急剧转变为长英质（图 1）。

图 1 上地壳 MgO 含量与时间关系图（改自 Tang et al., 2016）。星号表示现今大陆上地壳的平均 MgO 含量；蓝色圆表示依据碎屑沉积岩估计的地史时期大陆上地壳的平均含量。在~2.6-3.2Ga 之间，大陆上地壳的平均 MgO 含量逐渐由镁铁质岩对应值降低为接近长英质岩对应值。

Tang 等（2016）通过进一步的质量平衡计算发现，长英质的 TTG 类岩石占上地壳的体积比例从早太古代到晚太古代从 10-40%增加至＞80%。Tang 等（2016）将这一转变的原因解释为板块构造机制的启动：尽管 TTG 岩石既可以形成于加厚镁铁质下地壳部分熔融，也可以形成于热俯冲板片部分熔融，但是只有通过俯冲作用添加水分进入部分熔融体系才可能导致大规模的部分熔融作用，产生巨量的 TTG 岩浆。

因此，透过大陆上地壳成分由镁铁质转变为长英质的转变时间，可以间接地限定板块构造启动时间（~3.0Ga）(Tang et al., 2016)。但是，值得注意的是：1）板块构造启动并不是造成大规模长英质岩浆作用的唯一因素，其它因素（大规模地幔柱活动等）也可能产生巨量的长英质岩浆作用；2）前寒武纪碎屑沉积岩的记录是间断且不完整的，是否可以足够反映全球范围的上地壳成分的演变也值得进一步讨论。

三、初生地壳 Rb/Sr 剧变时间的限定

对地壳岩石而言，Rb/Sr 比值与岩浆分异过程相关：镁铁质地壳到长英质地壳的 87Rb/86Sr 变化范围约为 0.087-0.74；而 Sm/Nd 比值主要受地幔熔融事件的影响，而后期地壳改造过程中的岩浆分异或重熔对其影响甚微（Dhuime et al., 2015；Depaolo, 1981）。火成岩样品的 Rb/Sr 和 SiO2(wt.%)表现为非常好的正相关关系，同时对于厚度小于 60km 的地壳，其平均地壳的 Rb/Sr 和其地壳厚度表现为很好的正线性相关性。如果可以限定地质历史时期的初生地壳的 Rb/Sr，就可以限定初生地壳的 SiO2(wt.%)含量和厚度随时间演化的过程。Dhuime 等（2015）通过对全球 96465 个岩浆岩样品和 13125 组分析数据的统计、拟合发现了上述规律，并采取了如下思路：先计算出地质历史时期初生地壳 Rb/Sr，然后分析初生地壳组成和厚度随时间演化过程。Dhuime 等（2015）采取现今样品 87

Sr/86Sr 组成二阶段模型估计初生地壳 Rb/Sr：首先选取大量（96465 个）不同年代的火成岩样品，依据其测定的 87Sr/86Sr 和 87Rb/86Sr，估计岩浆结晶时的（87Sr/86Sr）i，然后假设初始 87Sr/86

Sr 组成位于亏损地幔演化线上，样品代表的壳幔分异时间由 Nd 同位素模式年龄决定，由此计算出初始地壳的 87Rb/86Sr，再根据元素丰度计算初生地壳的 Rb/Sr，然后依据 Rb/Sr 和 SiO2（wt.%）之间的函数关系（由火成岩数据库拟合；Dhuime et al., 2015）计算出对应的初生地壳的 SiO2(wt.%)含量，依据地壳厚度（CT:km）和 Rb/Sr 之间函数关系（由数据库拟合：CT(km)=426.8*SiO2(wt.%)+4.1）R2=0.93 ；Dhuime et al., 2015)。在这里值得注意的是 Nd 同位素模式年龄是一阶段的，使用的对象条件为 TDM - CA＞300Ma（结晶年龄），这样基本可以保证对于经历了 Nd 同位素二阶段演化或者更多阶段演化的地壳样品，TDM 与二阶段、多阶段模式年龄相差不大，并且使用一阶段模式年龄对于幔源岩石样品更合适。

Dhuime 等（2015）统计分析发现：~3.0Ga 后初生地壳的 Rb/Sr 显著升高，同时对应初生地壳 SiO2(wt.%)含量和厚度急剧升高（图 2）。这表明 3.0Ga 之后壳幔分异程度显著上升（即地幔部分熔融程度显著升高）。诱发这一剧变的最可能原因就是地幔源区水的加入，降低地幔岩石部分熔融固相线，从而使得岛弧下部难熔地幔可以进一步亏损，从而增加了初生地壳的分异程度和地壳厚度（从地幔分异出的地壳物质量增加）。同时，厚度也与地壳的成分向密度更小的长英质成分方向演化相关。因此，Dhuime 等（2015）提出~3.0Ga 可能是板块构造启动的时间。

图 2 (A).初生地壳 Rb/Sr 和厚度关系；(B).初生大陆地壳厚度与地壳形成年代关系（改自 Dhuime et al., 2015）。（A）基于 13125 个样品数据整合得到的初生地壳 Rb/Sr 随时间的变化，Rb/Sr 变化趋势使用置信度拟合依据 95%和 68%置信度给出相关范围；依据 Rb/Sr 和 SiO2（wt.%）之间的函数关系（由火成岩数据库拟合计算出对应的 SiO2（wt.%））。（B）初生地壳厚度随时间变化趋势，初生地壳厚度依据地壳厚度（CT）和 Rb/Sr 之间函数关系（由数据库拟合：CT = 426.8* SiO2(wt.%)+4.1）R2=0.93; Dhuime et al., 2015)及地球物理模型 Crust 1.0 换算得到。

四、其他地球化学制约及讨论

以上研究利用常用的 MgO 含量（Ni/Co、Cr/Zn 替代）、Rb/Sr 比值、Sr-Nd 同位素等数据对大陆地壳性质的转变提出制约，一致发现在~3.0Ga 左右大陆地壳性质发生显著的转变，进而认为可能是板块构造启动的时间。

不过来自其他同位素的证据似乎莫衷一是：Cavosie 等人（2005）对著名的 Jack Hills 古老锆石用离子探针进行氧同位素测定，发现在＞3900 Ma 的锆石中δ18O = 5.3-7.3 ‰，并且年龄从 4400 Ma 到 4200 Ma 的锆石氧同位素组成逐渐更加偏离地幔值 5.3±0.3 ‰，在 4200 Ma 时δ18O 升高到了 7.3 ‰。这被认为在地球形成的最初几亿年中有更演化的岩石组分加入了锆石的岩浆源区，并且暗示 4200 Ma 时地球表面存在有水和表壳物质，进而表明当时已经存在大陆地壳。然而若通过锆石氧同位素来证明大陆地壳的形成存在一定漏洞；除开样品的代表性和局域性问题，尤其要考虑地球表面海水的规模以及氧化程度的影响。在火成岩和碎屑沉积岩中，Zn 同位素变化范围很小（δ66Zn = 0.25 ± 0.15‰），在酸性（pH＜5.5）热液条件作用后也能不发生分异，因而沉积岩中的 Zn 同位素能反映水圈的化学组成变化。Pons 等人（2013）报道了一部分世界不同地区、不同时代条带状铁建造（BIF）和铁建造的 Zn 同位素组成：早太古代样品的 Zn 同位素组成与火成岩一般值相差很小（δ66Zn = 0.3

‰），而在 2.9-2.7 Ga，Zn 同位素组成显著变轻（δ66Zn < 0 ‰），在后期 2.35 Ga 因为大氧化事件而反弹超过 1 ‰。他们将这个结果进一步联系为 2.9-2.7 Ga 时大陆的大规模出现。此外，Næraa 等人（2012）对格陵兰西部基底岩石的锆石 Hf 同位素研究则限定由类似现代板块构造产生初生地壳的时代在 3.2Ga 以后。

根据上述讨论以及 Tang（2016）与 Dhuime（2015）等人的统计工作，我们初步可以认为地壳性质的转变、大陆地壳的出现可能在~3.0-2.7 Ga，这种大规模的转变在不同地球化学指标上均有响应，但由于样品的局限性和不同体系的差异结果不尽相同。

结论

通过以上讨论，我们可以总结出在~3.0-2.7 Ga 发生的地球动力学过程的突变：（1）上地壳总体成分由镁铁质转变为长英质（Tanget al., 2016）；（2）初生地壳组成由镁铁质转变为安山质（中性），地壳厚度显著增加（Dhuimeet al., 2015）；（3）因抽离出新生地壳而导致地幔出现与现代类似的亏损特征（Sylvester et al., 1997）。因此~3.0-2.7 Ga 可能对应板块构造的启动时间。

尽管由于地质记录的完整性、地球化学数据分析选取的人为性、地球动力学过程诱发机制解释的主观性而对板块构造启动这一关键问题的回答存在一些不足与争议，但是这些地球化学分析方法，尤其是对数据库的利用，从不同角度为板块构造启动时间提供了一定的制约、有力的证据和有利参考。进一步的工作可能要求更精细的地质过程研究，辅以更精准的地球化学分析技术和数据处理手段。

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补充一点图：

选取 Ni/Co 和 Cr/Zn 作为替代指标是因为：

Ni、Co、Cr、Zn 在风化过程中高度不活动；

Co 比 Ni、Zn 比 Cr 在岩浆分异过程中相容性更高；

火成岩样品的 Ni/Co、Cr/Zn 和 MgO 呈显著正相关。

之后有空再跟各位讨论~