摘要
大陆的古代地核(克拉通)下面是地幔龙骨——大量融化殆尽、抗机械阻力、浮力大、钻石状的地幔，厚达350公里，已经与更热、更密集的对流地幔隔离了20多亿年。地幔龙骨只形成于早期地球(大约15 - 35亿年前的前寒武纪);它们没有现代的类似物1，2，3.，4．许多龙骨在融化程度方面显示出分层5，6，7．这种层状岩石圈的起源仍然未知，可能表明早期地球的全球构造模式(板块而不是柱状构造)。在这里，我们使用在地幔温度升高(比现在的温度高150-250摄氏度)下海洋俯冲之后弧大陆碰撞的模型来研究地幔龙骨的可能起源。我们证明了太古宙板块构造开始后，位于俯冲的大洋板块下的热的、韧性的、正浮力的、熔融耗尽的岩石圈下地幔层无法与板块一起俯冲。移动的板块在邻近的大陆板块下留下了克拉通规模的粘性原龙骨。对岩石圈下耗尽地幔厚度的估计表明，在克拉通岩石圈年龄的主要统计最大值时期，这种机制是有效的。随后对这些原始龙骨进行导电冷却，将产生具有现代低温度的地幔龙骨，这适合于钻石的形成。因此，前寒武纪大洋板块俯冲和地幔高度枯竭是大陆下厚层状岩石圈形成的先决条件，这使得它们能够在随后的板块构造过程中存活。
这是订阅内容的预览，通过你所在的机构访问
相关的文章
引用本文的开放获取文章。
氧同位素(Δ 18o， Δ’17O)对太古宙以来大陆地幔演化的认识
自然通讯开放获取2022年7月4日
早期地球上地幔因收敛构造运动而消耗
科学报告开放获取2021年11月2日
访问选项
订阅《自然》+
立即在线访问《自然》和其他55种《自然》杂志
29.99美元
每月
订阅期刊
获得1年的完整期刊访问权限
199.00美元
每期仅需3.90美元
所有价格均为净价格。
增值税稍后将在结帐时添加。
税务计算将在结账时完成。
买条
在ReadCube上获得时间限制或全文访问。
32.00美元
所有价格均为净价格。
数据可用性
岩石学热力学建模中使用的所有输入和输出文件均可根据要求提供。
代码的可用性
用于计算的数值代码I2VIS和MatLab代码可在https://doi.org/10.17605/OSF.IO/SYJF7．
参考文献
Arndt, N. T.等。太古宙次大陆岩石圈地幔成因:一些岩石学约束。Lithos109， 61-71(2009)。
裴利尔，A. H.等。大陆岩石圈橄榄石水含量与克拉通寿命。自然467， 78-81(2010)。
李宗泰，吕菲，陈平。大陆地幔的建立与破坏。为基础。地球行星。Sci．39， 59-90(2011)。
伊顿，D. W. & Perry, H. K. C.克拉通地幔龙骨的短暂等视性。Nat。Geosci．6， 967-970(2013)。
格里芬，W. L.等。喀拉哈里克拉通及其边缘岩石圈地幔演化。Lithos71， 215-241 (2003a)。
格里芬，W. L.等。太古代岩石圈地幔的起源与演化。Precambr。Res．127， 19-41 (2003b)。
袁国强，李国强。北美克拉通岩石圈分层研究。自然466， 1063-1068(2010)。
赫茨伯格等人。环境地幔和地幔柱的温度:来自玄武岩、苦橄岩和科马提岩的限制。Geochem。地球物理学。Geosyst．8， q02006(2007)。
康迪，K. C. &克罗纳，A.板块构造论是什么时候开始的?来自地质记录的证据。在地球板块构造是什么时候开始的?(编Condie, K. C. & Pease, V.) 44,281 - 294(美国地质学会，2008)。
地球板块构造的起始和演化:理论和观测。为基础。地球行星。Sci．41， 117-151(2013)。
前寒武纪地球动力学:概念和模型。冈瓦那大陆Res．25， 442-463(2014)。
杜惠梅，B.，韦斯特菲尔德，A.和霍克斯沃思，C. .现代大陆地壳出现约30亿年前。Nat。Geosci．8， 552-555(2015)。
格里芬，W. L.等。岩石圈地幔的组成与演化:重新评价及其构造意义。j .汽油．50， 1185-1204(2009)。
葛瑞芬，欧莱利，李志强，李志强。中国次大陆岩石圈地幔的组成与成因。在地幔岩石学:野外观测和高压实验弗朗西斯(编Fei, Y. et al.) 6,13 - 45(地球化学学会，1999)。
阿尔特米耶瓦，I. M. & Mooney, W. D.前寒武纪岩石圈热厚度与演化:全球研究。j .地球物理学。Res．106， 16387-16414(2001)。
海洋岩石圈和克拉通岩石圈组成的区别。地球的星球。科学。列托语．96， 15-26(1989)。
斯坦因，M. & Hofmann, A. W.地幔柱和幕式地壳生长。自然372， 63-68(1994)。
戴维斯，g.f.地球的间断构造演化。地球的星球。科学。列托语．136， 363-379(1995)。
格里芬，W. L.和O 'Reilly, S. Y.克拉通岩石圈地幔:有什么东西俯冲吗?集30.， 43-53(2007)。
Helmstaedt, H. H. & Schulze, D. J.南部非洲金伯利岩及其地幔样本:对太古代构造和岩石圈演化的意义。青烟。Soc。欧斯特。规范。出版14， 358-368(1989)。
Beall, a.p.， Moresi, L. & Cooper, C. M.板块构造起始期间克拉通岩石圈的形成。地质46， 487-490(2018)。
Perchuk, A. L.等。前寒武纪地幔变热而俯冲变冷:这意味着什么?Precambr。Res．330， 20-34(2019)。
Sizova, E.等人。前寒武纪的俯冲样式:数值实验的启示。Lithos116， 209-229(2010)。
Sizova, E.等人。太古宙长英质地壳的生成:地球动力学建模视角。Precambr。Res．271， 198-224(2015)。
范胡宁，J. &范登伯格，A. P.板块构造对早期地球的限制强加的强度和浮力的俯冲岩石圈。Lithos103， 217-235(2008)。
Richard, G.， Bercovici, D. & Karato, S.-I。地幔过渡带的Slab脱水。地球的星球。科学。列托语．251， 156-167(2006)。
李国强，李国强，李国强。地球地幔过渡区的水诱导对流。j .地球物理学。Res．114， b01205(2009)。
用石榴石和捕虏体成像次大陆岩石圈地幔的化学和热非均质性:地球物理意义。构造物理学416， 289-309(2006)。
科布森，A. F.等人。岩石圈过去的幽灵:非洲南部岩石圈地幔演化的影像。地质36， 515-518(2008)。
科布森，A. F.格里芬，W. L.和O 'reilly, S. Y.南非卡普瓦尔克拉通岩石圈白垩纪热化学修饰。Lithos112， 886-895(2009)。
雷切特，C. A. & Shearer, P. M.岩石圈-软流圈边界的全球观点。科学324， 495-498(2009)。
Selway, K.， Ford, H. & Kelemen, P.地震中岩石圈不连续。地球的星球。科学。列托语．414， 45-57(2015)。
康拉德，C. P. & Lithgow-Bertelloni, C.地幔板块如何驱动板块构造。科学298， 207-209(2002)。
Coltice, N.等人。是什么驱动着构造板块?科学。阿德．5， eaax4295(2019)。
太古代大陆岩石圈的形成及其钻石:问题的根源。j .青烟。Soc。Lond．165， 895-914(2008)。
奥莱利，S. Y.等人。测量地球的脉搏:连接地壳和地幔事件。欧斯特。J.地球科学．55， 983-995(2008)。
格里芬，W. L.和奥莱利，S. Y.最早的次大陆地幔。在地球上最古老的岩石(Van Kranendonk, M. et al.) 81-102(爱思唯尔，2018)。
Gerya, t.v.等人。地幔柱俯冲引发的地球板块构造。自然527， 221-225(2015)。
王，H.， van Hunen, J. & Pearson, G.通过横向压缩制作太古代克拉通根:两阶段增厚和稳定模型。构造物理学746， 562-571(2018)。
Gerya, T. V. & Yuen, D. A.基于特征的细胞内标记方法与保守有限差分方案用于模拟具有强变化传输特性的地质流。理论物理。地球的星球。国际米兰．140， 293-318(2003)。
Labrosse, S. & Jaupart, C.地球的热演化:板块特征的长期变化和波动。地球的星球。科学。列托语．260， 465-481(2007)。
赫茨伯格等人。地球热历史及其岩石学表现。地球的星球。科学。列托语．292， 79-88(2010)。
傅利，S.， Tiepolo, M. & Vannucci, R.俯冲带角闪岩熔融控制的早期大陆地壳生长。自然417， 837-840(2002)。
赫茨伯格，C. &鲁德尼克，R.克拉通岩石圈的形成:一个综合的热和岩石学模型。Lithos149， 4-15(2012)。
Ranalli G。地球流变学(Chapman & Hall, 1995)。
鲁德尼克，R. L.制造大陆地壳。自然378， 571-578(1995)。
张志刚，张志刚，张志刚。含水地幔熔融的新参数化方法。Geochem。地球物理学。Geosyst．4， 1073(2003)。
特科特，D. L.舒伯特，G。地球动力学(剑桥大学出版社，2002年)。
大陆地壳的温度梯度。在低地大陆的性质地壳(eds Dawson, J. et al.) 24,63 - 70(伦敦地质学会，1986)。
大陆地壳的组成。Geochim。Cosmochim。学报59， 1217-1232(1995)。
Baitsch-Ghirardello, B.， Gerya, t.v. & Burg, j.p。大洋内俯冲的地球动力学机制:弧延长与弧缩短过程的意义。冈瓦那大陆Res．25， 546-560(2014)。
Crameri, F.等人。地球动力学模拟中数值地表地形计算的比较:“粘性空气”方法的评价。地球物理学。j . Int．189， 38-54(2012)。
Gerya, T. V. & Yuen, D. A.瑞利-泰勒不稳定的水合作用和融化推动“冷羽流”在俯冲带。地球的星球。科学。列托语．212， 47-62(2003)。
Katsura, T. &伊藤，E.系统Mg2SiO4菲2SiO4在高压和高温下:精确测定橄榄石、改性尖晶石和尖晶石的稳定性。j .地球物理学。Res．94， 663-670(1989)。
伊藤，E.等。形成MgSiO反应的负压-温度斜率3.从量热法得到钙钛矿。科学249， 1275-1278(1990)。
伊藤，K. &肯尼迪，G. C. in地壳的结构和物理性质(希科克编，j.g.)地球物理专著14,303-314 (AGU, 1971)。
比特纳，D. & Schmeling, H.下地壳熔融过程和诱导底辟作用的数值模拟。地球物理学。j . Int．123， 59-70(1995)。
克劳瑟，C. & Huenges, E.岩石和矿物的热导率。在岩石物理和相位关系:物理常数手册(阿伦斯，T. J.) 105-126 (AGU, 1995)。
施密特，M. &波利，S.基于实验的脱水板的水收支和弧岩浆产生的后果。地球的星球。科学。列托语．163， 361-379(1998)。
用线性规划计算相平衡:地球动力学建模的工具及其在俯冲带脱碳中的应用。地球的星球。科学。列托语．236， 524-541(2005)。
Gerya, t.v.等人。地幔楔柱的地震意义。理论物理。地球的星球。国际米兰．156， 59-74(2006)。
沃格特，K.， Gerya, T. V. &卡斯特罗，A.活跃大陆边缘的地壳生长:数值模拟。理论物理。地球的星球。国际米兰．192/193， 1-20(2012)。
艾略特等人。在马里亚纳弧，元素从岩块向火山前缘运移。j .地球物理学。Res．102， 14991-15019(1997)。
岛弧岩石中元素U和Th的变化:U系列同位素的意义。化学。地质的．139， 207-221(1997)。
罗泽尔，A. B.等。早期地球大陆地壳的形成受侵入性岩浆作用控制。自然545， 332-335(2017)。
Djomani, Y. H. P.等。次大陆岩石圈随时间的密度结构。地球的星球。科学。列托语．184， 605-621(2001)。
徐志伟，李志伟，李志伟，等。熔体耗损对石榴石和尖晶石二辉长岩密度和地震速度的影响。j .地球物理学。Res．111， b05401(2006)。
村,j。粘性加热在碰撞造山带Barrovian变质作用中的作用:热力学模型及其在阿尔卑斯中部Lepontine Dome的应用。j . Metamorph。地质的．23， 75-95(2005)。
梅，李建民，李建民。水对橄榄石团聚体塑性变形的影响。位错蠕变状态。j .地球物理学。Res．105(b9)， 21471-21481(2000)。
Gerya, T. V. & Meilick, F. I.活动边缘下俯冲的地球动力学机制:流体和熔体的流变弱化效应。j . Metamorph。地质的．29， 7-31(2011)。
格里芬，W. L.等。雅库特Daldyn金伯利岩田岩石圈地幔热态与组成构造物理学262， 19-33(1996)。
格里芬，W. L.等。奴隶克拉通格拉斯Lac地区层状地幔岩石圈:组成、结构与成因。j .汽油．40， 705-727(1999)。
格里芬，W. L.等。西伯利亚岩石圈穿越:地幔地体和西伯利亚克拉通的组装。构造物理学310， 1-35(1999)。
格里芬，W. L.等。金伯利岩橄榄石中硫化物包裹体的Re-Os原位分析:西伯利亚岩石圈地幔衰竭事件的新约束。Geochem。地球物理学。Geosyst．3.， 1069(2002)。
格里芬，W. L.等。北美板块下的岩石圈分布图。Lithos77， 873-922(2004)。
格里芬，W. L.等。西伯利亚Kharamai金伯利岩田:西伯利亚圈闭事件对岩石圈地幔的改造。Lithos81， 167-187(2005)。
格里芬，W. L.等。阿肯色下太古代岩石圈地幔:由微大陆吸积形成的大陆生长。公牛。青烟。Soc。我．123， 1763-1775(2011)。
奥尔巴赫等人。地幔形成与演化，奴隶克拉通:地幔异种晶中硫化物包裹体的HSE丰度和Re-Os系统的约束。化学。地质的．208， 61-88(2004)。
韦斯特伦德，K. J.等。奴隶克拉通熊猫金伯利岩橄榄岩金刚石包体硫化物Re-Os同位素系统。在摘要:第八国际。金伯利岩之．https://ikcabstracts.com/index.php/ikc/issue/view/21(2003)。
戴维斯等人。来自深海的钻石:加拿大奴隶克拉通DO-27管道。在第七单元。金伯利岩之.， 148-155(红色屋顶设计，1999)。
奥尔巴赫等人。加拿大奴隶克拉通中部岩石圈的形成:地幔柱的潜生还是岩石圈的吸积?普通发布版。矿物。汽油．154， 409-427(2007)。
克拉通成核和厚岩石圈根的形成。Lithos149， 16-30(2012)。
van der Meer, Q. H. A.等。林波波活动带(南非)下克拉通下地幔的来源。Lithos170 - 171， 90-104(2013)。
高卢，O 'Reilly, S. Y. & Griffin, W. L.澳大利亚东南部岩石圈结构与演化。青烟。Soc。欧斯特。规范。出版22， 179-196(2003)。
斯科特·史密斯等人。南澳大利亚奥罗罗附近的金伯利岩。在金伯利岩:I:金伯利岩及相关岩石(编者:Kornprobst, J.) 11,121 - 142 (Elsevier, 1984)。
格里芬，W. L.等。Cr-pyrope石榴石中的镍:一种新型地温计。普通发布版。矿物。汽油．103， 199-202(1989)。
格里芬，W. L.等。金刚石勘查样品中铬铁矿分类的统计技术。j . Geochem。空洞．59， 233-249(1997)。
Ryan, C. G.， Griffin, W. L. & Pearson, N. J.石榴石地热:一种从Cr-pyrope石榴石中推导P-T数据的技术。j .地球物理学。Res．101， 5611-5625(1996)。
高卢，o.f.等。岩石圈地幔中橄榄石成分的测绘。地球的星球。科学。列托语．182， 223-235(2000)。
Begg, g.c.等。非洲岩石圈结构:地震层析成像，地幔岩石学和构造演化。岩石圈5， 23-50(2009)。
确认
这项工作得到了SNF项目IZSEZO-189211(给A.L.P.)， SNF项目200021_182069和200021_192296(给T.V.G.)和RFBR项目20-05-00329(给A.L.P.)的支持。模拟是在ETH-Zurich Euler和Leonhard集群以及罗蒙诺索夫莫斯科国立大学HPC计算资源共享研究设施的设备上进行的。这是ARC核心-地壳流体系统卓越中心(www.ccfs.mq.edu.au;wl.g.)和GEMOC关键中心(www.gemoc.mq.edu.au;wl.g.)，与IGCP-662 (W.L.G.)相关。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
A.L.P.构想并设计了这项研究，并进行了一些数值实验;tv.g.编写了数值代码，并为模型设计了边界条件;V.S.Z.编写了自动输入不同模型几何形状和参数的程序，并进行了一些数值实验;和W.L.G.编译并注释了扩展数据图4-7，并提供了相关文本。所有作者都讨论了结果、问题和方法，并对数据的解释和论文的撰写做出了贡献。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Louis Moresi和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1数值模型的设计和边界条件。
白线是从100°C开始递增200°C的等温线。颜色表示材料(例如，岩石类型或熔体)。地幔的融化程度超过20%显示在深蓝色。粘性板下源地幔(T> 1300°C，熔体损耗>20%)以洋红色勾勒，以便更好地显示。模型参数为升高的地幔位温(Tp)的1500°C (ΔT= 200℃)。放大的区域显示了规定的初始俯冲带。不同材质的颜色键显示在底部。
图2地幔位温升高时俯冲过程中原龙骨的发育。
有效粘度的演变(左柱，面板)一个- - - - - -d)和密度(右栏，面板e- - - - - -h)为参考模型计算的字段(图;1的地幔位温升高Tp= 1500°c (ΔT= 200°C)所示。左栏中的箭头表示速度场的演变。' lg '用于十进制对数。
图4俄罗斯西伯利亚克拉通Daldyn Kimberlite Field下岩石圈龙骨结构60，62．
一个明显的高度枯竭层延伸约140-190公里深，并逐渐向其底部熔化交代。这上面覆盖着一个较少枯竭的层，该层仍然含有大量的镁质橄榄石，但显示出强烈的减少趋势X毫克摘要采用(MgO/(MgO+FeO)橄榄石)，深度在140km附近有明显的扭结。在170-180 km左右，铬铁矿最丰富，铬最富。高度枯竭的根部可能延伸至约220-230公里深。利用包括铬铁矿分布和全岩铝剖面在内的辅助数据，评价了原生或交代叠合层的性质2O3.(根据石榴石中的Cr和/或Y含量估计)和X毫克摘要采用根据石榴石数据计算89．颜色键显示了石榴石异晶中基于主元素和微量元素模式的岩石类型方法)．哈兹伯石被定义为具有橄榄石+opx+石榴石±铬铁矿的矿物组合。贫斜辉石为微量元素贫斜辉石。贫/交代lherzoites含有少量斜辉石，但有交代富集的微量元素特征。肥沃的lherzoites中含有丰富的斜辉石，通过交代作用(通常为碳酸盐岩)使微量元素高度富集。熔体交代作用导致的迅速减少X毫克摘要采用， Zr和Ti含量增加，归因于镁铁质熔体和相关流体的渗流。实验室，岩石圈-软流圈边界。% Cr2O3.和% TiO2注明铬铁矿中这些氧化物的重量百分比。
扩展数据图6南非下方岩石圈龙骨结构。
一个，林波波带地区5．剖面显示，在140 ~ 180 km深度范围内，发育一层超肥沃层，上覆一层较肥沃层X毫克摘要采用(参考文献。5，29，30.)．深部部分由于Al和Fe的引入而发生中度的熔融交代，对应于剪切的小辉长岩，但铬铁矿在170 ~ 190 km深度最为丰富，枯竭根可能最初延伸至210 km左右。Van der Meer等人。83通过捕虏体研究验证了其结构，认为两层具有不同的物源。b莱索托北部地区。哈兹伯石大多局限于较肥沃的地层(高铝2O3.)，但该剖面在140-180 km深度以枯竭的矮橄榄岩为主，底部以强烈的熔融交代作用产生的矮橄榄岩为主。c博茨瓦纳北部地区。在120-190 km深度的相对枯竭(但主要是lherzoltic)段被更肥沃(高铝)的部分覆盖2O3.)岩石，但高度相近X毫克摘要采用更具有枯竭岩石的特征。这表明，在这种情况下，上层代表了一个耗尽部分的再利用，而不是一个单独的单元。
图7南澳大利亚Gawler克拉通东部岩石圈龙骨结构81．
剖面上部相对肥沃，全岩铝含量较高2O3.但是镁橄榄石。在大约140公里处，它被富含哈尔兹堡石的低铝段明显地埋在下面2O3.但也更低X毫克摘要采用．下层铬铁矿含量高，cr含量高，平均TiO含量高2，反映了该层中与熔融有关的交代作用向更深的方向增加。金伯利岩中超深钻石的存在表明，更深的地层可能与地幔柱有关85．
权利和权限
关于本文
引用本文
珀丘克，a.l.，格里亚，电视，扎哈罗夫，V.S.et al。前寒武纪板块构造中的克拉通龙骨构造。自然586， 395-401(2020)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-2806-7
收到了：
接受：
发表：
发行日期：
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2806-7
这篇文章被引用
氧同位素(Δ 18o， Δ’17O)对太古宙以来大陆地幔演化的认识
自然通讯(2022)
早期地球上地幔因收敛构造运动而消耗
科学报告(2021)
深大陆根和克拉通
自然(2021)
地幔柱驱动的大陆岩石圈深部地幔再通化
自然(2021)
