张振杰：Hf同位素扰动揭示地球深时动力学演化过程【JGR: Solid Earth, 2025】

2025-11-04     发布：【国家重点实验室】王俊懿    点击：0次

地球岩石圈在数十亿年的时间里经历了剧烈的构造与化学演化，其中地幔与地壳之间的物质交换塑造了地球的构造格局与表层环境。然而，这一深时地球系统的长期演化过程及其驱动机制一直是地球科学的核心科学问题之一。关键问题包括：地幔-地壳相互作用如何随时间演化？板块俯冲在早期地球何时启动？超大陆循环是否在地球早期就已存在？以及不同时期俯冲样式的演变如何记录在地幔的同位素组成中？

针对这些科学问题，地质过程与成矿预测全国重点实验室“地球大数据与矿产智能预测”研究团队的张振杰副教授与合作者，综合全球11,533个源于“新生地壳”的锆石Hf同位素数据，利用奇异谱分析（Singular Spectrum Analysis, SSA）与小波分析（Wavelet Analysis）等时间序列方法，系统重建了自冥古宙以来地幔-地壳相互作用的演化历史（图1），取得了以下主要认识：

（1）提出了去趋势Hf同位素指标（dHf），该指标可定量刻画壳幔系统的扰动强度与频率，为研究深时构造过程提供了新的地球化学标尺；

（2）揭示了地幔-地壳相互作用的多阶段扰动周期性：分析结果显示，地球上存在839 Myr和471 Myr两个长周期扰动，分别对应于超大陆与Wilson循环，此外还识别出187、140和111 Myr等中短周期信号，反映了地幔对流、地幔上涌与岩石圈拆沉等事件的全球性复发特征；

（3）证实了冥古宙时期存在强烈的地幔对流，表明早期地球可能并非“停滞盖”体制，而是具备“移动盖”式的初始板块构造活动，地幔的高温与活跃循环促进了原始地壳的形成与再循环；

（4）发现超级大陆循环始于中太古代（3.2-3.0 Ga），首次形成的超级大陆标志着全球性俯冲与碰撞过程的出现，随后在新太古代至中元古代经历了Kenorland与Nuna两次超级大陆循环；

（5）识别出新元古代俯冲样式发生显著转变：自~1.0 Ga起，地壳和岩石圈冷却加剧，俯冲由“暖俯冲”过渡为“冷俯冲”，标志着现代板块构造体制的建立。

该研究首次以全球新生地壳锆石Hf同位素为约束，揭示了地球深时地幔-地壳相互作用的周期性与动力学转折，构建了从冥古宙“移动盖”到现代板块构造体制的演化图景（图2），为理解地球长期地球动力学过程和大陆生长机制提供了新的理论框架与定量证据。

图1  重建和分解深时地球壳幔相互作用区的d_Hf值

图2 地球自冥古宙以来的构造演化过程

研究成果于2025年发表于国际地学期刊《Journal of Geophysical Research: Solid Earth》：Zhang, Z.-J.*（张振杰*）, Kusky, T., Chen, G.-X.（陈国雄）, Cheng, Q.-M.（成秋明）, 2025. Earth's Deep-Time Geodynamic Evolution Recorded by Hafnium Isotope Perturbations. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 130 (4), e2025JB031150.

全文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2025JB031150