板塊構造是地球區別于太陽系其他類地行星的主要構造特征。地球是人類和所有已知生命物種的共同家園，其宜居性的建立、改善和長期維持，包括生命活動所需營養物質的循環補給，適宜的大氣溫度、濕度、氧含量等等，都有賴于板塊構造驅動的地球各圈層持續不斷的物質-能量交換。板塊構造的提出至今已逾半個世紀，盡管已得到了廣泛驗證和支持，但是仍存在著很多未解之謎。其中，板塊構造的起始時間一直是爭議最大的熱點問題。
　　根據現今板塊構造的地質地球化學研究和地球物理資料，科學家總結出一些板塊構造公認的識別標志，包含地球化學特征、高壓變質作用、洋殼殘片/蛇綠巖、古地磁等方面。這些標志和指標，用來確定顯生宙的板塊構造是成功的，但是推展到地球早期的太古宙就存在很多不確定性，用來識別和確認板塊構造的啟動時代，則出現較大的偏差，不同方法給出的板塊構造啟動時代可以從晚于10億年到早于40億年不等（圖1）。例如，通過研究金剛石的N含量及C-N同位素，科學家（Smart et al.，2016）認為南非Kaapvaal克拉通的金剛石中高的N含量及正的δ15N同位素指示地表巖石的再循環，板塊構造在35億年已經開始。通過研究金剛石中包裹體組分，有學者發現32億年前的金剛石中為單一的地幔巖石包裹體，而30億年以來的金剛石中開始出現榴輝巖包裹體，從而提出板塊構造可能發生在30億年以后（Shirey et al., 2011）。通過研究金剛石中硫化物包裹體的S同位素，科學家（Smit et al.，2019）發現30億年以來的硫化物包裹體具有太古宙地表環境的33S非質量分餾，板塊構造應發生在30億年以后。利用大陸地殼生長曲線在30億年開始趨于平穩，學者認為30億年開始出現陸殼的再循環，可能指示了板塊構造的啟動（Dhuime et al., 2012）。通過研究大陸地殼成分演化規律，有學者建立了大陸地殼成分與頁巖和冰磧巖中Ni/Co和Cr/Zn的聯系，認為在30億年開始出現大量長英質地殼，全球性的板塊構造應發生在30億年（Tang et al., 2016）。通過總結全球變質作用的地溫梯度，有學者認為在27億年左右，開始出現地球早期的雙變質帶，指示了板塊構造從此時開始（Brown, 2006）。同樣是變質作用的角度，有學者（Stern et al.，2005）則認為藍片巖（冷俯沖變質巖）的首次出現指示了板塊構造的啟動發生在10億年以后。區別于地球最早期的滯殼構造以垂向構造為主，板塊構造以水平方向的運動為主。在一些古老的克拉通記錄了古老的水平構造。例如，在格陵蘭島的研究發現大約有37-38億年的古老增生構造（Komiya et al.,1998），在西澳Pilbara克拉通發現有32億年的水平構造（van Kranendonk et al., 2007），在加拿大蘇必利爾克拉通發現有27億年的水平構造（Lin et al., 2005），都被解釋為板塊構造啟動的證據。地球物理的資料對板塊構造的啟動也有貢獻?？茖W家在加拿大Slave克拉通發現有殘留的35億年的切斜界面，在96-124 km深處的傾斜角度低于20°，被解釋為板塊俯沖的痕跡（Chen et al., 2009）。在西澳Pilbara克拉通東部，科學家利用古地磁發現32億年的玄武巖記錄了古緯度的偏轉，可能反映了板塊構造驅動的水平運動（Brenner et al., 2020）?；谌A北克拉通的短周期密集觀測剖面資料，結合全球其他克拉通地球物理資料，有學者（Wan et al.，2020）指出全球聯動的板塊構造發生于20億年。
　　上述研究給出的板塊構造啟動時代從晚于10億年到早于40億年。這樣的差別源于各類標志和指標之間的差異，也由地球早期地質記錄不完整導致的特定記錄實質上的區域性所致。因此，選擇一種普遍發育的地質記錄，觀察其中板塊構造相關指標的變化規律，或許能夠獲得更明確的認識。
　　眾所周知，太古宙大陸地殼的最主要巖石單元，是英云閃長巖（tonalite）-奧長花崗巖（trondhjemite）-花崗閃長巖（granodiorite）組合（TTG巖套），可占大陸地殼巖石構成的50%以上，并且在全球各個太古宙大陸/克拉通都有高比例分布。同時，TTG巖石是硅飽和巖漿結晶的巖石，大量發育可定年礦物鋯石，可以準確定年，是研究早期地球動力學過程非常理想的研究對象。在TTG成因研究的50年歷史中，學術界傾向于認為TTG是由含水玄武巖在角閃巖相（中-低亞相系）至榴輝巖相（高壓相系）變質作用中經部分熔融形成。其中，中-低壓相系可能代表了大洋高原下地殼環境，而高壓相系則與俯沖作用相關。由于形成的壓力不同，TTG的微量元素也呈現出不同的特點。然而，TTG的形成并不僅僅依靠部分熔融過程，巖漿從形成到侵位過程中要經歷分離結晶和同化混染，這些過程會改造巖漿的微量元素含量，使得依靠微量元素判別形成壓力失去效力。例如，在南非和加拿大發育的TTG中均發現有斜長石堆晶的現象。由于斜長石中含有較高的Sr，而缺乏Y和重稀土含量，造成中低壓條件下形成的巖漿通過斜長石堆晶就能形成“高壓型TTG”。相比較而言, Ba在斜長石和長英質熔體間的分配系數趨近于1，即斜長石的堆晶不會造成巖漿Ba含量的變化。在主要造巖礦物中，Ba僅在鉀長石和黑云母當中相容。然而，這些礦物的加入也會造成巖漿K和Ni含量的升高，這與天然TTG的成分并不吻合。而對Ba不相容的礦物的分離結晶會造成巖漿Mg#的降低，這也與天然TTG成分不吻合。因此TTG中的Ba含量更可能代表巖漿形成時的組分。如果俯沖作用與大洋高原下地殼熔融形成的TTG巖漿在Ba含量有所不同，那么全球TTG中Ba含量隨時間的長期變化就能判斷俯沖作用的起始。
　　基于上述認識，中國科學院地質與地球物理研究所副研究員黃廣宇、研究員Ross Mitchell和研究員郭敬輝聯合國際合作者，以太古宙平均玄武巖作為原巖進行了相平衡模擬。結果顯示，只有在低溫高壓的環境下能夠形成高Ba含量的TTG巖漿（圖2），即只有俯沖環境下才能形成高Ba的TTG巖漿。通過分析現有的全球不同克拉通的TTG數據庫，發現全球的TTG中Ba含量隨時間演化，曾出現過3次正向的改變，分別發生在37億年、31億年和28億年左右。進一步檢驗發現不同克拉通TTG中Ba含量的正向變化時間并不相同。其中，Slave克拉通的俯沖作用可能在40億年就開始了，北大西洋克拉通和Kaapvaal克拉通緊隨其后，分別在37億年和35億年開始出現俯沖作用。在30億年左右，俯沖作用已經涉及到了大多數的克拉通。而較為年輕的克拉通，如Superior克拉通，則在27億年開始出現俯沖作用（圖3）。這些與前人報道的區域地質記錄（圖1）是一致的。  
　　板塊俯沖作用起始時代的地域差異性，受控于很多因素，包括巖石圈的厚度、地幔的溫度、巖石圈地幔和軟流圈地幔的密度差、放射性生熱元素含量等。在這些方面，地球并不是均勻的。因此俯沖作用的發生取決于各個因素的耦合，各方面條件均合適的地方便會率先發生俯沖作用。任何一處的水平運動不會孤立存在，而是通過其他地區有相應的運動來平衡。因此俯沖作用會相繼在全球各個位置相繼發生，最終形成全球聯動的板塊構造，時間應該出現在27億年之后。這與地球長期的熱演化史是一致的（圖4）。
　　相關研究成果發表于Nature Communications。 
　　論文鏈接
　　圖1 不同作者提出的板塊構造啟動的時代
　　圖2 天然TTG與相平衡模擬、實驗巖石學結果對比（背景顏色黃色代表低溫，桔色代表高溫）
　　圖3 全球不同克拉通TTG中Ba含量隨時間的長期變化
　　圖4 地球熱演化歷史模型