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4月22日是“世界地球日”。地球一直是人类赖以生存的家园，然而我们对它，特别是其早期历史却并不熟悉。
日前出炉的2014年度中国十大地质科技进展中，华北古大陆地壳结构及演化过程的研究成果位列其中，这是由中国地质科学院地质研究所万渝生研究团队揭示的。他们在冀东地区新发现大量35-38亿年的碎屑锆石，通过大量精确测年和综合研究，一步步揭开关于华北古大陆发展演变的秘密。
了解地球，让我们从脚下这片土地开始。
华北古大陆有超过38亿年的历史
最近，万渝生研究团队在冀东地区角闪片麻岩和石榴黑云片麻岩中发现了大量35-38亿年碎屑锆石。“这表明冀东地区极有可能会发现38亿年的陆壳岩石。”万渝生说，而目前在冀东发现的最古老岩石的年龄为34亿年。
锆石是自然界中一种常见的副矿物，广泛存在于岩浆岩、变质岩和沉积岩中。“由于锆石抗风化能力强，具有非常稳定的晶体结构，使得其能在许多地质环境中很好地保留下来。”万渝生介绍，之前，北京离子探针中心主任刘敦一等人曾在冀东地区的铬云母石英岩中，首次发现大量35-38亿年碎屑锆石，“但可惜的是，并没有找到与此年龄匹配的岩石”。
“目前，全世界发现的最古老岩石年龄是40亿年。”万渝生说，根据现有的资料，太阳系最早的物质形成时间为45.67亿年，而地球年龄约为45.4亿年。“这是通过对坠落在地球上的陨石测定而获得的。”
一方面，科学家们认为，地球是和太阳系中的其他行星、陨石一起产生的。所以，陨石的年龄也就是地球的年龄。万渝生解释，另一方面，地球形成初期，太阳系星际物质相互吸引、碰撞、聚积、收缩，同时短半衰期放射性元素含量丰富，两者均产热升温，使原始地球处在高温熔融状态。“地球表面可能主要是岩浆的海洋，由于物质对流强烈，陆壳物质聚集量很少，多随对流一起卷入地幔再循环，所以很难留下岩石记录。”
因此，上世纪90年代，刘敦一发现鞍山地区38亿年岩石的消息，就令人十分振奋。“全世界已发现的超过38亿年的古老岩石分布区只有5处，其中包括中国的鞍山地区。”刘敦一说。
万渝生研究团队经过长期研究，进一步丰富了鞍山地区的地质演化历史。目前，在鞍山已发现38亿年、37亿年、36亿年、34.5亿年、33亿年、31亿年、30亿年、29亿年、25亿年等不同时代多种成因类型的岩石。
“鞍山是全球唯一拥有从38亿年到25亿年这样长期连续古老岩石记录的地区。”刘敦一表示，与其他38亿年前的岩石分布区相比，鞍山有着其他地区无法比拟的优越性。
“这次冀东地区的新发现，将成为鞍山发现38亿年岩石之后的又一个有力补充。”万渝生表示，它将更有力地证明华北古大陆有超过38亿年的历史。
在26亿年至25亿年前，华北古大陆雏形由3个古陆块碰撞拼合而成
华北古大陆具有大于38亿年的漫长历史，与其他古大陆相比，显示出一些独特的演化特征。
研究显示，虽然华北古大陆与全球其他一些古大陆的陆壳增生的主要时期都为中太古代晚期至新太古代早期（27-29亿年），但华北古大陆在新太古代晚期（25-25.5亿年）构造热事件也十分强烈，这与其他古大陆明显不同。
地质学界把太古宙划分为4个阶段，即始太古代（36亿年以前）、古太古代（32-36亿年）、中太古代（28-32亿年）和新太古代（25-28亿年）。目前，学界对华北古大陆太古宙构造环境存在不同认识，主要有板块构造引起的陆壳水平增生和地幔柱或板底垫托作用引起的陆壳垂直增生两种观点。此外，这两种构造体制在什么时间发生转换的问题上也存在争论。
万渝生认为，28亿年前华北古大陆可能以垂直增生为主，26-28亿年可能是一个过渡期，构造体制从垂直增生向水平增生转换，在新太古代晚期（25-25.5亿年）板块构造就开始起作用了。
实际上，垂直增生和水平增生在华北古大陆都可找到证据，其中一些现象两者都可解释。不论哪一观点，都认为在新太古代晚期阶段华北古大陆处于伸展的构造环境。万渝生说，在新太古代晚期，岩浆作用和变质作用都十分发育，通常变质作用时间与正长花岗岩、二长花岗岩等壳源岩浆作用时间相近，导致华北古大陆在太古宙末期的初始稳定。
“无论如何，现有资料表明26亿年前华北古大陆已聚集了量足够多、面积足够大的以花岗质岩石为主的陆壳物质。”通过大量测年和综合研究，万渝生研究团队首次在华北古大陆划分出3个大于26亿年的古陆块，即东部古陆块、南部古陆核和中部古陆块，并提出，在26亿年至25亿年期间，3个古陆块相互碰撞形成了统一的华北古大陆的雏形。这一研究成果被认为是一个重要的突破。
“在所有古陆块中，东部古陆块研究最深入，它包括了鞍山本溪，冀东、胶东和鲁西等地区，迄今在华北古大陆上发现的最古老岩石和锆石多位于这一古陆块。”万渝生表示，随着研究的深入，肯定会发现华北古大陆形成过程中更多的秘密。
地下铁矿资源丰富，与其形成演变的历史密切相关
不论我国还是全球范围内，条带状铁建造（BIF）都是最为重要的铁矿石类型。
“在华北古大陆，BIF形成的主要时期为新太古代晚期。”万渝生介绍，这一时代的BIF铁矿广泛分布于华北古大陆的不同地区，包括辽北、辽西、密云、冀东、胶东、鲁西、固阳、五台、登封、赞皇、中条等地。
据介绍，世界上最早的BIF形成于38亿年前，25-27亿年期间达到峰值，18亿年之后大规模BIF形成趋于结束。华北是我国早前寒武纪岩石最重要分布区，也是我国的BIF最重要分布区。
矿产的形成与地壳的演化与增生关系密切，与重大的地质构造事件对应。与其他古陆相比，华北古大陆有更为复杂的多阶段的构造演化史。万渝生说：“BIF及相关火山沉积作用记录了早前寒武纪丰富的地质构造演化和环境演化信息，还有人认为BIF形成与生物作用关系密切，所以一直是早前寒武纪研究的重要主题。”
“BIF主要形成于新太古代，可能与大气从无氧向有氧的过渡演化有关，使BIF成为具有明显时代专属性的特殊矿种。”万渝生解释，氧的存在把海洋中的二价铁转变为三价铁，这是BIF形成的必要物理化学条件。“地球大气中氧含量增高，即大气从还原环境向氧化环境转变，导致BIF大量迅速形成。”
据介绍，地质学界一般认为BIF的形成要具备3个基本条件：构造稳定保存超过百万年；水足够深，可以避免外源碎屑的混入和海底扰动；盆地的位置使得大洋深处的水体能够通畅地进入和流出盆地。
“然而，到目前为止，新太古代晚期华北BIF形成的构造环境到底是什么样子还没有定论。”万渝生坦言，关于华北BIF还有许多未解之谜。比如，海洋中提供给BIF的溶解铁最初来源于哪里？BIF在华北广泛分布，但为什么大规模的BIF主要分布在鞍山、冀东和鲁西等地区？“这些未解之谜也是我们进行研究的动力和方向。”
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