郑永飞院士：早期地球大陆地壳的起源和成因——板块与非板块构造机制之争 | NSR观点

早期地球大陆地壳的形成是地球演化历史中最关键的事件之一，它不仅塑造了地球表层的构造格局，更为生命的诞生和演化提供了必要的地质环境。尽管经过数十年的研究，早期大陆地壳的起源和成因机制仍然是地球科学领域争论的焦点。

中国科学技术大学教授郑永飞院士在National Science Review上发表Perspective，从岩石学、地球化学和地球动力学三个维度梳理了近年来在这个前沿和热点领域的研究进展，通过检查和整合关键证据并评述和辨析主要争议，围绕板块构造与非板块构造机制之争展开讨论，试图为认识和理解地球早期岩石圈的演化提供多学科视角的综合框架。

早期地球大陆地壳的记录有二：一是锆石，二是岩石。对锆石进行多维地球化学研究，已经成为进入21世纪以来认识和理解早期地球大陆地壳形成和演化的常见方法(e.g., Turner et al., 2020; Wang et al., 2022; Lu et al., 2025; Zhao et al., 2025)。由于冥古宙时期岩石露头的缺乏(Sole et al., 2025)，岩石记录主要保存在太古宙(4.0-2.5 Ga)克拉通中，其中以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩(TTG)系列为特征性岩石组合，构成了早期大陆地壳的主体。这些岩石通常经历了不同程度的区域变质作用，形成片麻岩类，其中保留的原始岩浆结构和矿物组合仍为探讨其成因提供了关键线索。

尽管板块构造理论在20世纪70年代初期已经确立，但是当时认为这个理论只适合于现代地球，不适合于早期地球(Davies, 1992)。因此，地幔柱过程成为解释早期大陆地壳起源和成因的流行机制(Campbell and Hill, 1988; Condie, 1998; Smithies, 2000; Bedard, 2006; Van Kranendonk, 2010; Gerya et al., 2015)。进入21世纪以来，越来越多的研究发现，板块构造理论可以用来解释早期地球大陆地壳的起源和成因(e.g., Moyen, 2011; Arndt, 2023; Ge et al., 2023; 郑永飞, 2024; Vezinet et al., 2025)。鉴于早期大陆地壳起源和成因对认识和理解地球系统科学的重要性，中国科学技术大学教授郑永飞院士在2025年9月出版的

National Science Review

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主要研究内容

1.1核心争议与共识

-争议焦点：早期大陆地壳起源存在板块构造与非板块构造机制之争(Johnson et al., 2017; Arndt, 2023; Hernández-Uribe, 2024; Smit et al., 2024; 郑永飞, 2024; Kirkland et al., 2025; Vezinet et al., 2025)，同时冥古宙与太古宙地壳岩性比例差异(前者以镁铁质为主，后者以长英质为主)，及锆石地球化学推断地壳主量元素组成的安山质(Turner et al., 2020)与非安山质(Lu et al., 2025)之争。

-普遍共识：早期大陆地壳以长英质岩性(如TTG岩套)为主，其前身是镁铁质岩性(如大洋玄武岩)，但具体由哪种玄武岩(大洋高原玄武岩 vs 洋中脊玄武岩)部分熔融生成TTG岩浆存在争论(Arndt, 2023; 郑永飞, 2024)。

1.2不同时代地壳形成机制

-冥古宙：镁铁质原始地壳可能形成于非板块构造环境，如地幔柱岩浆作用(图1)或者岩浆洋金属结晶分异(Turner et al., 2025)，其中镁铁质地壳部分熔融或者镁铁质岩浆结晶分异都可以产生长英质岩浆供锆石生长(Zheng and Gao, 2021)，无需板块构造机制。

图1. 早期地球大陆地壳成因的地幔柱模型示意图(修改自Van Kranendonk, 2010)

-太古宙：板块构造对镁铁质和长英质地壳形成作用显著。长英质TTG岩浆主要源于汇聚板块边缘含水超厚镁铁质地壳的部分熔融，但是对这个地壳属性存在争议，可以是大洋高原玄武岩(Arndt, 2023)或者大洋弧玄武岩(Ge et al., 2023)或者洋中脊玄武岩(郑永飞等, 2022; 郑永飞, 2024)。

1.3锆石地球化学的应用与局限

-应用价值：可用于探讨早期地球板块构造是否运作，且太古宙锆石氧同位素比值升高(Wang et al., 2022)，表明其母岩可能是低温海水热液蚀变的洋中脊玄武岩(郑永飞等, 2022)，全岩钾同位素研究也支持这一创新性认识(Xiong et al., 2025; Zhang et al., 2025)。

-主要局限：用锆石微量元素组成推断早期地壳主量元素组成易产生偏差，需谨慎将锆石微量元素数据与全岩化学关联，需明确锆石生长的岩浆类型(原生镁铁质岩浆或次生长英质岩浆)，且需考虑锆石与熔体间微量元素分配系数，以及地壳深熔过程中不同类型锆石的生长等问题(Zheng and Gao, 2021)。

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构造机制之争

2.1非板块构造机制

非板块构造机制可能主要与早期地球镁铁质原始地壳的形成相关，具体方式包括：

-地幔柱过程：地球动力学模拟发现，早期地球大陆地壳可以通过地幔柱这种深部地球过程形成(Van Kranendonk, 2010; Gerya et al., 2015)，而塑造现今大陆的板块构造并非必需(Arndt, 2023)。地幔柱过程可以引起超镁铁质地幔岩部分熔融形成镁铁质地壳(图1)，其中大洋高原玄武岩底部部分熔融可以形成长英质TTG岩浆。对太古宙TTG岩石的研究发现，其岩浆中虽然含水，但是在含量上低于岛弧岩浆，指示其形成于相对缺水的构造环境，不同于板块俯冲带环境，且其中锆石氧同位素特征与地幔柱上方形成的岩石一致(Zhao et al., 2025)。但是就停滞层盖体制向活动层盖体制转变而言，只有岩石圈破裂才能使软流圈得以上涌(郑永飞, 2024)。地球内部热膨胀首先引起岩石圈层盖破裂，然后推动岩石圈碰撞/俯冲，这样才能形成一系列板块离散-汇聚耦合系统(郑永飞, 2023)。如果地幔柱过程形成的大洋高原玄武岩构成太古宙TTG的原岩，那么其中锆石氧同位素组成低于正常地幔的组分难以得到解释。此外，TTG作为地幔柱活动产物至少经历两个阶段，即首先在海底形成大洋高原玄武岩，然后这些大洋高原玄武岩下部发生部分熔融形成TTG岩浆。但是，引起TTG岩浆作用的构造背景和地球动力学机制分别是什么，目前还缺乏解释。

-岩浆洋结晶分异：冥古宙核幔分离过程中，超镁铁质岩浆洋中的金属经结晶分异，直接生成具有大陆弧安山岩微量元素特点的镁铁质地壳(Turner et al., 2025)。一般假设，在地球形成的早期阶段，可能存在一个全球性的岩浆洋。岩浆洋中的物质在冷却和结晶过程中，会发生分异作用。较重的物质下沉形成地幔和地核，较轻的物质上浮形成地壳。通过这种岩浆洋分异结晶过程，有可能形成早期的大陆地壳。但是这一机制也面临一些问题，例如岩浆结晶分异深度是否就在1.5GPa对应的岩浆洋浅部，如何解释早期大陆地壳中某些熔体活动性微量元素的分布特征等。

2.2板块构造机制

板块构造机制可能在太古宙大陆地壳形成中的作用更为显著(郑永飞等, 2022; Ge et al., 2023; Hernández-Uribe, 2024)，其核心是通过板块构造与地幔对流推动镁铁质和长英质地壳生成(郑永飞, 2024)，关键过程与特征包括：

-地壳物质来源与转化：板块边缘(如汇聚板块边缘)的镁铁质地壳(如洋中脊玄武岩、大洋弧玄武岩)经部分熔融，可形成长英质大陆地壳，同时留下镁铁质残留体，这个两阶段机制虽然与现代地球相似，但是在太古宙有特定表现形式。就汇聚板块边缘而言，镁铁质弧岩浆作用发生在大洋俯冲带上盘(郑永飞等, 2022; Ge et al., 2023)，而镁铁质地壳向长英质地壳的转化可以发生在大洋碰撞带(郑永飞等, 2022; Hernández-Uribe, 2024)。

-威尔逊旋回的扩展：传统威尔逊旋回含海底扩张、大洋俯冲、大陆碰撞等三个阶段(郑永飞等, 2022)，其中海底扩张阶段涵盖大陆成功张裂(裂解)，因此需要增加一个大陆张裂阶段，否则难以进入海底扩张阶段。大陆张裂可以夭折或者成功，在机制上可以由岩石圈减薄诱发的地幔极向对流实现，具体表现为下地幔来源的地幔柱或上地幔来源的软流圈上涌(郑永飞, 2023)。这四个阶段在显生宙时期普遍存在，共同构成了完整威尔逊旋回。但是，太古宙时期地幔温度显著高于显生宙时期，大洋地壳在太古宙比显生宙厚得多(30-40km vs 6-7km)，板块汇聚时由于其韧性特征更易碰撞增厚而非俯冲叠置(Zheng and Zhao, 2020)。因此，太古宙时期长英质TTG 岩浆多形成于大洋碰撞带而非俯冲带，这样大洋俯冲和大陆碰撞过程合并成一个阶段，因此太古宙时期的威尔逊旋回可能主要以三个阶段来运作(图2)。

图2. 太古宙TTG岩浆产生的三阶段威尔逊旋回示意图(修改自郑永飞等, 2022)

-长英质TTG岩浆的形成：镁铁质大洋地壳从离散板块边缘迁移到汇聚板块边缘，遵循三阶段威尔逊旋回模式(郑永飞等, 2022; 郑永飞, 2023)。首先，洋中脊位置的玄武岩在海底扩张时经海水热液蚀变形成含水镁铁质地壳(图2A)；接着，该地壳在板块汇聚时因碰撞挤压增厚(图2B)；最后，岩石圈地幔通过重力拆沉或对流侵蚀而减薄，诱发软流圈地幔上涌，导致超厚的含水镁铁质地壳部分熔融，形成长英质 TTG 岩浆(图2C)，且此过程发生于碰撞增厚的镁铁质地壳内部，而非俯冲的大洋板片之中。

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古老板块构造机制

早期地球对流地幔更热、能量更高，通过海底扩张形成的大洋地壳可以厚达30-40km，其中熔体活动性不相容微量元素无显著亏损或富集(郑永飞, 2024)。在研究早期大陆地壳起源时，既要考虑当时地幔温度和地壳厚度与显生宙时期的差异，也要区分镁铁质地壳形成机制和厚度等要素对地球化学特征的影响。早期地球通过板块边缘相互作用，以特定物质转化、能量传输、多阶段过程及环境适配(图3)，推动镁铁质和长英质地壳的形成，具体路径如下。

图3. 地球历史上地幔温度和构造体制随时间演化示意图(引自郑永飞, 2024)。图中太古宙以来俯冲带和碰撞热状态随时间的变化可以分成暖和冷两大阶段, 分别对应韧性和刚性汇聚板块边缘(Zheng和Zhao, 2020)。

3.1镁铁质地壳生长：板块边缘物质基础形成

在板块构造机制下，镁铁质地壳生长与板块边缘岩浆活动直接相关(郑永飞, 2024)。在现代地球上，板块构造通过在板块边缘(如洋中脊、大洋弧、大陆弧)形成洋中脊玄武岩、大洋弧玄武岩、大陆弧安山岩等镁铁质岩石，为后续地壳演化提供初始物质(郑永飞等, 2022; 郑永飞, 2023)。而在太古宙时期，类似的板块边缘活动(如洋中脊的海底扩张)同样是镁铁质地壳生长的重要机制——在洋中脊位置通过海底扩张形成玄武岩，经海水热液蚀变形成含水的镁铁质地壳，成为后续长英质地壳形成的关键“原料”，这一系列过程为古老板块构造体制下大陆地壳的形成奠定了物质基础(郑永飞, 2024)。

3.2长英质地壳形成：镁铁质地壳部分熔融与多阶段转化

板块构造机制通过三阶段过程(图2)，依托太古宙的完整威尔逊旋回(含新增的大陆张裂阶段)，推动镁铁质地壳向长英质地壳(以TTG岩套为代表)的转化，这是板块构造产生长英质地壳的核心路径：

-第一阶段：镁铁质地壳的蚀变水化

在离散板块边缘(如洋中脊)，海底扩张过程中生成的镁铁质玄武岩，会与海水发生热液蚀变，形成含水的镁铁质地壳(图2A)。这一步为后续的部分熔融提供了“含水”这一关键条件，是长英质岩浆生成的前提准备。

-第二阶段：镁铁质地壳的碰撞增厚

含水的厚层镁铁质地壳随板块运动，从离散板块边缘输送到汇聚板块边缘；在板块汇聚过程中，通过碰撞挤压作用，原本较厚的镁铁质地壳进一步增厚，形成“超厚镁铁质地壳” (图2B)，为后续部分熔融提供了足够的物质体量与压力环境。

-第三阶段：超厚镁铁质地壳的部分熔融与长英质岩浆生成

增厚的岩石圈地幔因重力拆沉或对流侵蚀作用减薄，引发软流圈地幔上涌；上涌的软流圈地幔提供热量，促使处于石榴石和金红石稳定域的“超厚含水镁铁质地壳”发生部分熔融，最终形成长英质TTG岩浆，这些岩浆冷却后便形成长英质地壳(图2C)。值得注意的是，这个部分熔融过程发生在汇聚板块边缘，是在碰撞加厚的镁铁质地壳内部，而不是在俯冲的大洋板片内部，是板块构造机制下长英质地壳生成的核心环节。

3.3环境适配：构造机制的“时空适配性”保障

板块构造和地幔对流机制通过适配早期地球的地壳与地幔环境，确保镁铁质地壳的产生及其向长英质地壳转化的可行性和有效性(图3)。冥古宙时期岩石圈开始形成，既有镁铁质岩浆结晶分异形成的长英质地壳和锆石，也有镁铁质地壳部分熔融形成的长英质地壳和锆石，地幔对流可能是者两类过程的主导机制。太古宙时期新生大洋地壳比显生宙时期的厚得多，这种厚度特征使得板块汇聚时，地壳更易发生碰撞加厚而非俯冲叠置，为“超厚镁铁质地壳”的形成提供了空间条件。同时，板块构造和地幔对流协同驱动的威尔逊旋回(新增“大陆张裂”阶段，由地幔极向对流实现)，不仅串联了“水化-增厚-熔融”这个全过程，而且为地壳成分演化提供了持续的动力循环与环境依托，进一步保障了镁铁质和长英质地壳形成的连续性。且完整威尔逊旋回需要“大陆张裂”阶段(由岩石圈拆沉引发的地幔柱或软流圈上涌实现)，当时大洋地壳更厚(可达30-40km)，板块汇聚时易碰撞增厚而非俯冲叠置，故TTG岩浆多形成于大洋碰撞带。

值得指出的是，板块构造和地幔对流是产生地球上各种地质现象的两个一级地球动力学机制，虽然它们在现代地球都发挥作用，但是在早期地球的作用程度存在显著差别。无论是哪种镁铁质岩浆岩，它们都是岩石圈边缘在拉张构造背景下地幔部分熔融的产物，是板块构造与地幔对流相互作用的结果。板块俯冲是物质自上而下的运动过程，岩石圈地幔重力拆沉或对流侵蚀而减薄也是自上而下的运动过程，下沉进入对流地幔的岩石圈地幔在地震层析成像上如何区分，还是一个亟待解决的问题。地幔对流可以区分为极向和环向两种，其中极向对流深部来源者表现为地幔柱，浅部来源者表现为软流圈地幔上涌，它们都对板块边缘产生了显著的能量和物质效应，其中前人研究岩浆作用机制时引用的地幔柱效应在很大程度上就是能量效应而不是物质效应。因此，只有正确认识地幔极向对流对现在和过去板块边缘的能量和物质效应，才能理解早期地球大陆地壳的起源和成因。

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National Science Review

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf341

（本文编辑：刘四旦）

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