地球早期滞壳构造及其向板块构造体制演变

板块构造是现今地球上主导的构造体制,而地球早期是何种构造体制,以及板块构造运动何时开始,学界仍在争论不休。明确这一问题对于理解地球发展历史、演化规律以及预测地球的未来至关重要。早期学者普遍采用均变论观点,认为早期构造运动与现今板块构造相似。然而随着地质资料的积累以及研究技术的进步,从“滞壳构造”到现代板块构造转变的观点逐渐被接受。所谓的滞壳,是指地球表面环绕地球一圈的单一板块。文章在滞壳构造的背景下,介绍了前人提出的地球早期构造体制模式假说,主要有热管构造模式、深成粘盖模式、地幔反转模式、盖—板构造模式等。随后对地球从滞壳构造向板块构造转化时间的最新研究进行综述。笔者认为目前主流学术观点已形成大体一致的框架,即中新太古代发生从滞壳构造模式向板块构造模式转化,现代板块构造样式可能在新元古代最终形成。

纳米离子探针分析在地球早期生命研究中的应用

地球早期生命的个体极其微小,又因遭受了漫长地质年代中各种地质作用的破坏,现今保存下来的生命记录往往不完整,很难用常规分析手段对其进行原位分析。而纳米离子探针(Nano-SIMS)具有极高的空间分辨率,在使用Cs+一次离子源来获得非金属元素或同位素信息的条件下,其空间分辨率可达到50 nm,能有效地解决在地球早期生命研究中所面临的难题。基于选取的5个实例,介绍了NanoSIMS在寻找地球早期生命中发挥的重要作用。通过NanoSIMS获得的生命元素(C,N,S等)分布图像能够直观地观察到生命元素在待研究区域内的分布情况,在排除了无机成因的前提下,C,N,S等生命元素所呈现出的紧密联系可以用来指示生物成因;而获得的微区原位的C,S等同位素信息能够进一步帮助判断所谓的"生物体"或"生物遗迹构造"等是否是真正的生物或由生物活动造成的。

前寒武纪地球动力学(Ⅱ):早期地球

早期地球(early Earth)是指冥古宙(或称dark ages,黑暗时代)的地球,也称为"Hadean Earth",即是45.6亿年至40亿年的地球。早期地球是地球科学研究的前沿,是诸多地质、地球化学理论或模型必须面对的基本科学问题。本文系统综合了与早期地球相关的研究进展,特别是近10年来的进展,以建立地质理论的各种大地质现象起源为主线,包括原始地核、原始地壳、地幔对流、岩石圈、地幔不均一性、陆壳和洋壳、水及大气圈和海洋、板块构造、早期生命等起源问题。这些都是地球科学的重大前沿科学问题,也与地球物质起源相关的宇宙起源、元素起源密切相关。原始地核出现最早,在原始地球形成之初的几个百万年内就形成了,4 450 Ma地球发生了最后一次全球整体的大规模熔融事件,地球的原始地幔和原始地核再次均一化,原始地核可能消失;4 450 Ma之后的地核大小与现今的地核大小基本一致,只是液态外核在不断冷却缩小,而固态内核在不断增大;从锆石年龄得出最早地壳大于4 408Ma,而从Sm-Nd体系获得的最早地壳年龄为4 470 Ma,比后期地核形成要早。总之,原始地壳从原始地幔中分离出来的时间大体为44.5亿年。一些最老的锆石中Nd、Hf的地球化学特征也证明原始地幔分异发生在43亿年前。岩浆抽吸后的原始地幔上部经冷却,原则上可能构成原始地壳下部的原始岩石圈地幔,从而开始出现上地幔和下地幔的分异演化。但是,地球40亿年前的原始岩石圈没有大洋岩石圈和大陆岩石圈之分。对地幔对流循环起源有3种认识,最可能产生于44.5亿年前的偶然撞击事件。地幔不均一性起源可能与地幔对流循环有关,可用地幔柱理论或地幔翻转过程给予解释,且早于板块构造体制起源,板块构造增强了其不均一性。水、大气圈和海洋的起源早于陆壳和洋壳的分异。最早的水最可靠的直接证据来自发现的最老锆石的氧同位素,表明水在40亿年前就在原始地球表面稳定存在。但是,地球最早的矿物记录残存在西澳伊尔岗克拉通中(Mt.Narryer和Jack Hills地区),为一颗44亿年的锆石。这颗最早的锆石也意味着最早的硅铝壳(陆壳)应当在44亿年前就出现了。陆壳记录远远早于板块构造在地球上运行的可靠记录,因而早期陆壳起源机制很可能是独立于板块构造体制之外的前板块构造体制制约,触发式拆沉驱动的构造-岩浆过程和3个世代的岩浆分异过程最终导致大规模TTG(陆壳)爆发式形成。水是生命起源的必备条件,因此地球生命起源时间晚于4.0Ga,化石确证生命至少起源于3.7Ga前,且生命最可能出现在海洋中的热液喷口。总之,本文概要介绍了诸多地球科学成就的菁华和前沿,也有助于全面认识与早期地球组成、结构、演化及动力学过程相关的不同学科前沿的最新重大成就。

早期地球的环境变化和生命的化学进化

生命起源是当代最大的科学疑谜之一 ,也是历来人类普遍关注的一个焦点。在地球上最早的生物出现之前 ,有机物经历了漫长而复杂的化学进化过程 ,称为生命的化学进化。地球上生命的化学进化与非生物部分的早期演化过程 ,是密切地相互关联、相互作用并相互制约的。文章着重阐述与生命的化学关系最为密切的冥古宙和太古宙的地球演化历史 ,指出这两个阶段所形成的还原性原始大气和古海洋条件在生命的化学进行中起了极其重要的作用 ,并且从宇宙形成、太阳系演化和地球环境早期演化的角度 ,探讨地球生命的化学进化历程 :以地球形成初期发生了一系列复杂的有机化学反应过程 ,由无机分子生成生物小分子 ,再进一步生成生物大分子 ,直至最后产生原始细胞。此外 ,文章评述当前国际上最流行的生命化学进化学说 ,对早期地球的化学进化是发生在地球表面的原始海洋、粘土矿物、火山喷发等 ,或是来源于地球之外的宇宙空间进行了综合的阐述。

早期地球的热管构造:来自木卫一的启示

构造体制极大地制约着地球和其他太阳系类地天体(类地行星、岩石质卫星和小行星等)的地表散热、内部温度和物质演化。现有的少量地质记录表明,地球在板块构造启动之前就存在非常活跃的"前板块构造"运动并可能对其早期壳幔分异产生了重要的影响,在这些构造体制下,物质和能量循环的规模和速率可能是后续的板块运动无法比拟的。但受限于早期地质记录的稀缺以及研究手段不成熟等因素,对前板块构造运动的研究一直被学界所忽视,人们对其的认识主要局限于停滞盖层(stagnant-lid tectonics)等。长期以来的空间探测和地基观测表明,木星系统的木卫一存在大规模的火山活动,随之形成了极高的地表热流和地表更新速率以及活跃的造山作用。这些观测事实不同寻常,颠覆了人们对类地天体构造演化模式的一些固有认识,需要新的构造模式——"热管构造"(heat-pipe tectonics)予以解释,其涵义为:类似木卫一上的大规模火山作用可使类地天体的软流圈-岩石圈-地表之间发生快速的物质和能量循环,该循环以岩浆的形成-上升-喷发-冷却和沉降-折返为主要形式,可将天体内部的热散快速散发到外太空。上述过程涉及类地天体内、外部之间物质的大规模、快速迁移和相变,其导热原理与热管相同,因而被称为"热管构造",其散热效率远高于现今大多数类地天体单纯依赖岩石圈进行内外热传导的停滞盖层构造,以及地球上以板块的形成和俯冲过程主导内部散热的板块构造体制。尽管早期地球与木卫一在内生热机制等方面存在显著差异,但二者的内部温度和内生热率较高,导致其岩浆作用总体均较为活跃,这些关键动力学特征的相似性暗示其构造体制可能类似。因此,研究木卫一的热管构造体制对揭示地球的前板块构造的性质和演化有重要的启示意义。本文综述了近40年来人类对木卫一的主要探测成果,论述了热管构造提出的必要性和依据,总结了该构造体制的特征和发生条件,讨论了早期地球发生热管构造的可能性。早期地球可能经历了热管构造阶段,期间地球通过大规模火山作用散发了内部热量、促进了壳幔分异,并在地球内生热作用减弱、热管构造不能继续维持时被板块构造等取代。由于热管构造的垂向物质循环较为强烈,不利于保留TTG等低密度的壳幔分异产物,我们依据TTG大规模形成的时间上限推测:地球发生热管构造时间可能限于冥古宙-始太古代时期(约38亿年以前)。由于前板块构造时期地球自身的地质记录十分有限,对其热管构造体制的性质和确切的形成条件等很大程度上需要从木卫一获得答案。

金星:认识早期地球的窗口

无论在行星大小、质量还是轨道速度等方面,金星都是太阳系中与地球最相似的行星.自1960年代初期开始,金星一直是人类深空探测的重要目标.本文简要地回顾了人类探索金星的历史,总结了对金星已有的认识,梳理了金星的主要科学问题,最后介绍了未来的国际探测计划,并建议了我国的金星探测目标.早期对金星的探测以苏联的金星计划(Венера)和美国的水手系列(Mariner)为代表,后期的探测器以欧盟、日本等国家的“金星快车(Venus Express)”、“拂晓号(Akatsuki)”为代表.这些探测结果为我们认识金星大气成分、地表地形和内部结构提供了重要的数据.金星的大气组成以CO_(2)为主,含少量N2,与现在地球的大气组成显著不同,类似早期地球的大气组成.虽然金星地表目前没有液态水,但部分理论模拟工作表明金星地表可能曾经有液态水.一系列探测器对金星地表成分的分析表明,金星地表主要由玄武岩组成.在地形地貌方面,由于金星特殊的地表环境,金星表面风化作用对地表地貌影响很小.金星的地表主要受控于比较年轻的火山作用,发育了许多不同于地球的地貌特征,主要包括区域平原、盾状火山平原、冕状地形以及瓦片状地形等,其动力学机制可能是地幔柱—岩石圈相互作用或地幔对流,至今未发现与板块构造相关的地貌.现阶段金星没有太多大型的、活跃的火山热点,虽然无法估测准确的火山活动速率,但相比地球来说火山活动速率小很多.在内部结构方面,金星具有与地球类似的核幔壳结构.金星的内部组成也与地球类似,例如金星地幔很可能是与地球相似的橄榄岩成分.不存在内部磁场和缺乏板块构造是金星区别于地球的两个重要特征.关于金星为什么没有自身磁场,主流观点是金星地核缺乏对流,无法演化出磁场.而针对金星为什么没有演化出板块构造,目前认为主要有三个可能的原因:地表温度过高,没有软流圈,金星缺乏液态水,其中液态水的缺乏接受度最广.从大气组成、地表岩石组合、构造作用等角度来看,金星都与早期地球非常相似,是我们理解类地行星演化的天然实验室.研究金星和地球为什么会朝不同方向演化,是深入理解包括系外行星在内的行星的宜居性形成与演变的重要途径。因此,金星一直是优先级别最高的深空探测目标之一.近几年,美国、俄罗斯以及欧洲等国家和地区分别针对金星目前主要的科学问题,例如金星是否存在早期海洋、金星的宜居性以及结构和重力场等,先后提出各自的金星探测计划.我国在新的国际竞争中应该、也必然有所作为.

锆石Ce氧逸度计和早期地球的氧化还原状态

氧逸度可以用于定量描述一个体系的氧化还原状态,是地球科学非常重要的一个热力学指标。早期地球的氧逸度及其变化趋势的重建,对大气圈、水圈、生物圈乃至整个地球的起源和演化具有重要的科学意义,也是地球科学长期探索的重要目标。锆石提供了地球上已发现的最古老天然样品,几乎是目前研究早期(冥古宙)地球的唯一可靠对象。近年来的研究发现,锆石中Ce的含量对其母岩浆体系的氧逸度很敏感,并由此发展出了锆石的Ce氧逸度计。这一技术对认识早期地球的氧化还原状态十分关键。文章对锆石Ce氧逸度计进行了简单介绍,进而对早期地壳和地幔的氧化还原状态进行了综合评述。在此基础上,对早期地球几个重要圈层(大气圈、大陆地壳和上地幔)氧逸度的演化及相互间的耦合关系进行了讨论。

金伯利岩记录早期地球的分异残留物质

洋岛玄武岩是研究深部地幔最常用的样品,但是它们普遍年轻(小于两百万年),不能为地幔的长期状态提供直接证据。近年来对金伯利岩Nd-Hf同位素的研究表明,金伯利岩在地质历史时期的大部分时间里保留了其原有的地幔成分。金伯利岩是目前已知的起源最深的样品,而且岩浆上升速度快,因此,对古老金伯利岩进行研究可以为早期地球的深部地幔成分提供更可靠的信息。

重新认识早期地球大气组成

长期以来公认的2个关于地球早期大气组成的理论可能都会受到质疑.根据研究人员发表的最新报告（Nature,2006,442,908）认为早期地球大气可能已存在较高浓度的氧,也就是说,现在地球大气层中的氧并非完全来自生物进化和光合作用.此外,上次冰河时代甲烷浓度上升也不一定是由于海底甲烷水合物的突然喷发,而可能由植物和湿地产生（Science,2006,313,1109）.

早期地球的新图景

地球生命起源：传统观点被颠覆 在地球现存的45亿年中，前7亿年被称为冥古代，冥古代过后．或许它才摆脱了它的古希腊名字——冥狱（hell）。

早期地球为何没有冻结?

地球历史的早期，太阳系跟目前大不相同。当太阳很年轻的时候，阳光是微弱的，几乎没有为地球提供热量。然而，尽管地球有一个“冷酷”的开端，但其表面并没有冻结。

华北克拉通古元古代石墨矿成因研究进展与问题

华北克拉通周缘发育有三条古元古代石墨成矿带,包括东部石墨成矿带(胶-辽-吉造山带)、西部石墨成矿带和南部石墨成矿带。这些石墨矿床占全国储量的74%,是我国晶质石墨矿床的重要产地。本文在广泛收集和分析该地区以往石墨矿床研究成果的基础上,对华北克拉通周缘古元古代石墨矿床的分布规律、成因机制、形成时代,及其对地球早期环境演化的启示进行了系统归纳总结,并对存在的关键问题进行了探讨和展望。华北克拉通东部石墨成矿带从北到南石墨矿体主要产出在吉南地区的集安群、辽东地区的辽河群以及胶北地区的荆山群中;西部石墨成矿带中的石墨矿床主要赋存于乌拉山岩群和集宁群中;南部石墨成矿带中的石墨矿则主要出露于华北克拉通南缘太华岩群中。华北克拉通三条石墨成矿带中的石墨矿床具有一定的相似性,都属于区域变质型石墨矿床,含矿岩石都是变质表壳岩,包括含石墨斜长片麻岩、含石墨长英质片麻岩、含石墨透辉麻粒岩、含石墨大理岩等。石墨形态多以鳞片状为主,石墨碳质主要来源于有机物,局部混合有少量的无机碳。这三条石墨成矿带中的含矿岩石具有相似的沉积时代(2.0~2.2Ga)和变质成矿时代(1.8~1.95Ga)。华北克拉通周缘这些古元古代巨量石墨矿床的形成是古元古代生命繁盛的最有力证据,对地球早期环境演化具有重要影响:一方面,有机物的大量埋藏可以导致大气氧含量的升高以及碳酸盐碳同位素正向偏移;另一方面,这些埋藏的有机物在后期俯冲碰撞造山过程中将发生变质脱碳作用,消耗氧气并释放富集轻碳同位素^(12)C的CO_(2),这一过程可能会导致大气氧含量降低以及碳酸盐碳同位素值负向偏移。然而,古元古代巨量有机物的埋藏以及在后期碰撞造山剥蚀风化过程中对地球早期大气的影响具体有多大,还需要我们更多的地质数据来对其进行定量估算。华北克拉通周缘这些形成于古元古代的石墨矿床记录了有机物从埋藏到变质形成石墨的完整过程,是研究这些问题的理想对象,对于我们理解地球早期环境演化过程具有重要的意义。

国际地球化学研究新进展

2004年6月5-11日，在丹麦首都哥本哈根召开了第14届戈尔德斯密特(Goldschmidt)国际地球化学会议，共有46个国家和地区的约l500名参会代表。会议议题主要包括宇宙化学、地球化学和环境地球化学，主要涉及固体动力学、界面动力学、地球挥发份、地球表面、地球深部及早期地球和行星的地球化学过程6个专题。会议重点交流的内容主要集中在地球的层圈及其相互作用、环境和气候的地球化学示踪等方面，

太古宙科马提岩的氧同位素组成揭示早期地幔的不均一性

由于30亿年前的火成岩保存太少，我们对于早期地球动力学过程（尤其是地壳与深部地幔相互作用）的了解还很缺乏。作为最为广泛应用的传统稳定同位素体系之一，地幔氧同位素组成随时间的演化并没有被很好地限定。

生命起源之谜 彗星潜藏氨基酸“轰炸”地球

腾讯科技讯（Everett／编译）据国外媒体报道，科学家近日发现彗星“轰炸”地球时产生的冲击波可能有助于蛋白质分子的合成，为生命的诞生搭建了舞台。宇宙中流窜的彗星、巨型冰封雪球以及尘埃，是目前已知的能携带有机化学物质和水分的天体，它们为早期地球带来了生命诞生所需要的物质条件。然而，在数十亿年前的地球，还是个贫瘠、荒凉的星球，是什么机制导致了第一个生命的诞生仍然是个未解之谜。

月球的地质研究有助解决地球之谜

地球早期资料的缺乏使得我们很难知道早期地球的状况，即便是专业研究人员也未能回答地球早期的一些基本问题。其中也包括像地球磁场起源、地球与月球如何随着时间的推移而发生相对变化以及氧气首次出现在大气中的时间（生命的起源）这二三个人们最关心的问题。

地幔硫化物的物理化学性质及其地质意义

地幔硫化物是地球亲硫、亲铁元素的重要载体,与硅酸盐矿物有很大的物理性质上差别,它在高温高压条件下的物理化学性质是认识地幔物质组成及其不均一性的重要内容。此外,早期地球、火星、水星和月球幔部来源的硫化物对认识行星演化具有重要意义。地幔硫化物的存在条件、赋存方式以及元素分配系数受到硫化物和硅酸盐体系的化学平衡控制;硫化物在流体介质和固体介质中的迁移可以分别用斯托克斯方程和表面张力模型进行解释。基于目前的天然样品和实验研究结果,本文提出了地幔硫化物物理化学性质研究中尚存在的问题,并作展望:高温高压实验制约分配系数适用的元素含量远高于天然样品,导致亨利定律并不一定适用,要求开展元素含量更低的实验并进行测试;现有的线性或自然对数的经验方程不能准确描述硫化物-硅酸盐体系,机器学习可能揭示其错综复杂的热力学关系;硫化物熔体在深部地幔硅酸盐矿物表面的分布尚不清楚,对极端条件下的静水压力实验提出了需求。

X射线光谱在生命起源和全球气候变化等若干重大科学问题中的研究进展

生命起源、全球气候变化等是关系到人类未来命运的重大科学问题,X射线光谱(XRS)可原位测定物质组成与元素形态,在解决重大科学问题、揭示自然规律中发挥了重要作用:(1)在生命起源探索中,通过RNA结构和海洋热液自养体系元素形态分析,揭示了RNA形成机制和生物地球化学规律;(2)在地球早期生命研究中,通过沉积纹层、细胞组构测定,发现了远古生物保存机制与证据;(3)在全球碳循环研究中,通过物相与元素形态分析,揭示了铁源生物有效性与碳汇机制。利用XRS从微纳米尺度原位测定元素三维空间分布与形态,实现活体分析蛋白质信息传递与生物响应过程,探索元素与有机质构效关系,揭示生命起源与生物代谢机制及全球气候变化规律,是XRS未来发展中的重要领域;作为冶金、材料、地质、文物、工矿、生态、环境、医学与生命科学等领域中的重要分析手段,XRS所特有的无损、原位与活体分析特性,已呈现了巨大应用价值,在未来探索重大科学问题、解决关键技术难点的研究中,X射线光谱分析技术必将发挥更大作用。