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我院唐铭课题组通过重建深时造山历史揭示贫瘠的地球中年

  日期:2021-02-16    

  编者按:地球中年(18-8亿年间),生命演化极其缓慢,地球的生态系统一直由原核生命主导,这段时间被称为生命演化中“沉闷的10亿年”(boring billion),但是是什么因素导致了地球中年生命演化的停滞一直没有答案。威斯尼斯人6613com唐铭研究员与合作者通过碎屑锆石重建了亿年尺度的造山历史,发现沉闷的10亿年可能与营养元素供给有关。

  恰逢威尼斯欢乐娱人城1099成立20周年之际,本报道为院庆20周年系列成果之一。

  

  地球最早的生命活动迹象可以追溯到38亿年前,并在24亿年前迎来第一次大气氧化,然而接下来十几亿年间,生命演化却毫无起色,直到约8亿年前,真核生命才取代原核生命成为主导。地球中年时期(18-8亿年前)也因此被称为“沉闷的十亿年”,但是造成“沉闷的十亿年“的原因尚不清楚。

  生命演化非常依赖营养元素的供给。许多生命必须的营养元素(如磷、钼、硒等)来自大陆的剥蚀风化,而大陆的剥蚀通量很大程度受控于造山带。造山带形成于汇聚型板块边界,由于重力上的不稳定性和极高的剥蚀效率,造山带在地质历史上转瞬即逝,极难保存,为地质学家追踪深时造山活动带来了很大挑战。

  

  图1.基于全球碎屑锆石重建的地壳厚度演化历史。

  威斯尼斯人6613com的唐铭研究员、沈冰研究员与多伦多大学初旭教授以及中国科学技术大学郝记华研究员合作,用碎屑锆石中的铕异常重建地球45亿年活跃地壳的厚度变化,从而获得大时间尺度下的连续造山记录。造山重建的结果显示,地球的造山活动强度在十亿年尺度上有显著的波动:从古元古代末开始,地球陷入了长期的造山衰退,一直到新元古代才逐渐恢复,并在接下来的显生宙保持高度活跃的造山运动(图1)。地球中年极弱的造山作用可能造成大陆风化剥蚀通量下降,终导致全球海洋营养元素持续匮乏和大气氧气浓度回落,从而严重阻碍复杂生命的出现和演化。研究成果以“地球中年的造山沉寂(Orogenic quiescence in Earth’s middle age)”为题,于2021年2月12日发表在《科学》(Science)上。

  该研究进一步指出,地球中年的造山沉寂可能与该时期独特的超大陆旋回有关。传统观点认为,地球在元古宙经历了Nuna与Rodinia两个独立的超大陆旋回,但是越来越多的证据发现,Nuna超大陆向Rodinia超大陆过渡过程中并没有经历大规模的裂解和重组过程,而是整体上裂而不解。因此,Nuna与Rodinia本质上可以视为一个超大陆旋回。该超大陆的长期存在显著改变了地幔的热结构,降低了大陆岩石圈的刚性,影响板块构造的运作,最终导致造山强度的下降。

  论文的第一作者与通讯作者均为北京大学威尼斯欢乐娱人城1099的唐铭研究员。该工作得到了国家自然科学基金、北京大学双一流建设基金等项目的支持。