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【前沿报道】PNAS:大型不整合面指示冰川活动
2019-02-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  不整合现象在地质历史时期比较常见,其中比?#31995;?#22411;的是寒武系底部的沉积?#39029;?#24120;突兀地覆盖在古?#31995;?#28779;成?#19968;?#21464;质?#19968;字?#19978;,例如美国科罗拉多尼德尔山(Needle Mountain)地区寒武纪Ignacio石英岩不整合地覆盖在中元古代(ca. 1.35 GaEolus花岗岩之上,其间丢失了将近9亿年的地质历史信息(图1),地质学家将之称为大型不整合面。Ronov et al.1980)首次对全球元古宙-显生宙边界保存下来的沉积物进行了量化分析,发现大陆沉积物的堆积速率从元古宙的0.2 km3/yr 急剧变化?#36739;?#29983;宙的1 km3/yr(图1),原因可能是显生宙沉积物发生快速堆积(大约5倍)或元古宙地层遭受?#36136;矗?#32422;14 km厚的沉积盖层,占盖层厚度的80%)。

  大型不整合面代表地层记录的显著沉积间断,对其形成机制还没有达成共识。最近,美国加州大学伯克利?#20013;?#31561;机构在PNAS联合发表的研究表明,这类大型不整合面可能记录了新元古代“雪球地球”?#24405;?#21457;生时的冰川?#36136;?#36807;程,即陆壳物?#31034;?#36807;冰川作用剥蚀到深海盆地之后由于板块俯冲消减掉了。冰川作用不但导致了大陆地?#21069;?#34432;及随后的沉积俯冲,造成岩浆锆石的Hf-O同位素漂移,而?#19968;?#38477;低了?#36136;?#22522;准面,形成浅水相大陆海域,为寒武纪大爆发时多细胞动物的涌现和分异提供了“舞台”。此外,冰川作用还会抹去地外天体的?#19981;?#35760;录(Keller et al., 2019)。

1  a)全球和北美地区的沉积岩在元古宙-显生宙边界急剧增加;(b)尼德尔山地区寒武纪Ignacio石英岩不整合地覆盖在中元古代Eolus花岗岩之上,两者之间为一大型不整合面(Keller et al., 2019

  作者通过统计发现(图2),43.5亿年前?#20004;?/span>通过弧相岩浆作用产生的锆石εHf值一直在-55之间波动,直到成冰纪(750-635 Ma)至古生代时才出现显著的负漂移。与此同时,这段期间锆石的δ18O值显著升高,在6.5-8之间波动,指示有古?#31995;?#22320;壳物质参与。海槽内沉积物厚?#32676;?#38150;石εHf之间表现的强烈相关性,?#32422;?/span>成冰纪至古生代时地表沉积物覆盖量减少等现象,都说明这?#38382;?#26399;强烈的地壳?#36136;?#20316;用是导致古老地壳物质再循环的主要因素。地壳沉积物被?#36136;?#36816;移到深海盆地,然后随着板块俯冲消减到深部,经过脱水熔融以岛弧岩浆的?#38382;?#36820;回到地表。巨量的地壳物质剥蚀很难通过常规的地质过程实现,因此剥蚀的原动力最可能来自于成冰纪的冰川作用,作者通过模拟计算表明,2 km厚的冰席可以?#36136;?#32422;12 km厚的大陆地壳。

2 地质历史时期锆石Hf-O同位素变化和大陆沉积物覆盖变化趋势。(A)锆石平均εHf;(B)锆石平均δ18O;(C)锆石εHf-δ18O协方差,正值指示地壳改造程度的增强;(D)锆石εHf-δ18O协方差与斜率的乘积,正值和负值分别指示地壳改造程度的强弱;(E)不同地质时期北美和全球地表被海相沉积物覆盖的?#27573;В?/span>Keller et al., 2019

  地外天体的?#19981;?#22353;?#37096;?#20197;证实曾发生冰川?#36136;?#20316;用。?#19981;?#22353;作为地表特征,很容易受到剥蚀和?#36136;?#20316;用的破坏。作者通过统计发现,各种?#19981;?#22353;出现的峰期都集中在成冰纪冰川?#24405;?#20043;后(图3),直径小于100 km和小于10 km的?#19981;?#22353;在700 Ma之前和600 Ma之前?#21152;?#26126;显的?#36136;?#25130;断,时间上和成冰纪冰川?#24405;?#30456;吻合,表明大规模的成冰纪冰川?#36136;?#20316;用抹去了?#19981;?#22353;的保存记录。

大陆地壳内?#19981;?#22353;的记录,年龄误差在 ±75 Myr1-σ)(源自PASSC数据库, 2001)。(A)过去2.5 Ga时间内?#19981;?#22353;数(左轴,以100 Myr 为?#25351;?#21333;位)和全球出露的岩床面积(右轴,km2/y)(Geological Survey of Canada, 1995)。(B)单位岩床面积内?#19981;?#22353;数,?#19981;?#22353;大小为2->100 km

  尽管冰川?#36136;?#20316;用可?#38498;?#22909;地解释锆石Hf-O 同位素漂移和地外天体?#19981;?#22353;的保存记录变化等地质现象,但有一个科学问题尚存争议,即成冰纪冰川?#24405;?#32467;束之后为什么直到古生代早期沉积物才显著增加。原因可能有三种?#28023;?/span>1)除了成冰纪,埃迪卡拉纪也发生了冰川?#24405;?/span>ca. 580 Ma),这次冰川作用很可能导致至少ca. 55 Myr635-580 Ma)沉积的地层被?#36136;?#25481;了,只有剩下的ca. 39 Myr580-541 Ma)的地层被零星地保存下来;(2)冰川作用导致地形准平原化,这时构造沉降速率明显超过沉积物的供给速率,造成“沉积饥饿?#20445;?#30452;到后期有造山作用发生时才会?#34892;?#30340;沉积供应;3)原本?#21069;?#36842;卡拉纪的沉积物,由于沉积时代不明确而被错误地划归为寒武纪地层。随着研究工作的不断推进,以上三种假说会逐渐得到验证。

    

  主要参考文献   

  Geological Survey of Canada. 1995. Generalized geological map of the world and linked databases[M]. Ottawa: Geological Survey of Canada.

  Keller C B, Husson J M, Mitchell R N, et al. Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(4): 1136-1145.原文链接

  Ronov A B, Khain V E, Balukhovsky A N, et al. Quantitative analysis of Phanerozoic sedimentation[J]. Sedimentary Geology, 1980, 25(4): 311-325.原文链接

(撰稿:兰中伍/岩石圈室)

 
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