不整合现象在地质历史时期比较常见，其中比较典型的是寒武系底部的沉积岩常常突兀地覆盖在古老的火成岩或变质岩基底之上，例如美国科罗拉多尼德尔山（Needle Mountain）地区寒武纪Ignacio石英岩不整合地覆盖在中元古代（ca. 1.35 Ga）Eolus花岗岩之上，其间丢失了将近9亿年的地质历史信息（图1），地质学家将之称为大型不整合面。Ronov et al.（1980）首次对全球元古宙-显生宙边界保存下来的沉积物进行了量化分析，发现大陆沉积物的堆积速率从元古宙的0.2 km3/yr 急剧变化到显生宙的1 km3/yr（图1），原因可能是显生宙沉积物发生快速堆积（大约5倍）或元古宙地层遭受侵蚀（约14 km厚的沉积盖层，占盖层厚度的80%）。
大型不整合面代表地层记录的显著沉积间断，对其形成机制还没有达成共识。最近，美国加州大学伯克利分校等机构在PNAS上联合发表的研究表明，这类大型不整合面可能记录了新元古代“雪球地球”事件发生时的冰川侵蚀过程，即陆壳物质经过冰川作用剥蚀到深海盆地之后由于板块俯冲消减掉了。冰川作用不但导致了大陆地壳剥蚀及随后的沉积俯冲，造成岩浆锆石的Hf-O同位素漂移，而且还降低了侵蚀基准面，形成浅水相大陆海域，为“寒武纪大爆发”时多细胞动物的涌现和分异提供了“舞台”。此外，冰川作用还会抹去地外天体的撞击记录（Keller et al., 2019）。
图1 （a）全球和北美地区的沉积岩在元古宙-显生宙边界急剧增加；（b）尼德尔山地区寒武纪Ignacio石英岩不整合地覆盖在中元古代Eolus花岗岩之上，两者之间为一大型不整合面（Keller et al., 2019）
作者通过统计发现（图2），43.5亿年前至今通过弧相岩浆作用产生的锆石εHf值一直在-5至5之间波动，直到成冰纪（750-635 Ma）至古生代时才出现显著的负漂移。与此同时，这段期间锆石的δ18O值显著升高，在6.5-8之间波动，指示有古老的地壳物质参与。海槽内沉积物厚度和锆石εHf之间表现的强烈相关性，以及成冰纪至古生代时地表沉积物覆盖量减少等现象，都说明这段时期强烈的地壳侵蚀作用是导致古老地壳物质再循环的主要因素。地壳沉积物被侵蚀运移到深海盆地，然后随着板块俯冲消减到深部，经过脱水熔融以岛弧岩浆的形式返回到地表。巨量的地壳物质剥蚀很难通过常规的地质过程实现，因此剥蚀的原动力最可能来自于成冰纪的冰川作用，作者通过模拟计算表明，2 km厚的冰席可以侵蚀约12 km厚的大陆地壳。
图2 地质历史时期锆石Hf-O同位素变化和大陆沉积物覆盖变化趋势。（A）锆石平均εHf；（B）锆石平均δ18O；（C）锆石εHf-δ18O协方差，正值指示地壳改造程度的增强；（D）锆石εHf-δ18O协方差与斜率的乘积，正值和负值分别指示地壳改造程度的强弱；（E）不同地质时期北美和全球地表被海相沉积物覆盖的范围（Keller et al., 2019）
地外天体的撞击坑也可以证实曾发生冰川侵蚀作用。撞击坑作为地表特征，很容易受到剥蚀和侵蚀作用的破坏。作者通过统计发现，各种撞击坑出现的峰期都集中在成冰纪冰川事件之后（图3），直径小于100 km和小于10 km的撞击坑在700 Ma之前和600 Ma之前都有明显的侵蚀截断，时间上和成冰纪冰川事件相吻合，表明大规模的成冰纪冰川侵蚀作用抹去了撞击坑的保存记录。
图3 大陆地壳内撞击坑的记录，年龄误差在 ±75 Myr（1-σ）（源自PASSC数据库, 2001）。（A）过去2.5 Ga时间内撞击坑数（左轴，以100 Myr 为分割单位）和全球出露的岩床面积（右轴，km2/y）（Geological Survey of Canada, 1995）。（B）单位岩床面积内撞击坑数，撞击坑大小为2->100 km
尽管冰川侵蚀作用可以很好地解释锆石Hf-O 同位素漂移和地外天体撞击坑的保存记录变化等地质现象，但有一个科学问题尚存争议，即成冰纪冰川事件结束之后为什么直到古生代早期沉积物才显著增加。原因可能有三种：（1）除了成冰纪，埃迪卡拉纪也发生了冰川事件（ca. 580 Ma），这次冰川作用很可能导致至少ca. 55 Myr（635-580 Ma）沉积的地层被侵蚀掉了，只有剩下的ca. 39 Myr（580-541 Ma）的地层被零星地保存下来；（2）冰川作用导致地形准平原化，这时构造沉降速率明显超过沉积物的供给速率，造成“沉积饥饿”，直到后期有造山作用发生时才会有新的沉积供应；（3）原本是埃迪卡拉纪的沉积物，由于沉积时代不明确而被错误地划归为寒武纪地层。随着研究工作的不断推进，以上三种假说会逐渐得到验证。
主要参考文献
Geological Survey of Canada. 1995. Generalized geological map of the world and linked databases[M]. Ottawa: Geological Survey of Canada.
Keller C B, Husson J M, Mitchell R N, et al. Neoproterozoic glacial origin of the Great Unconformity[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(4): 1136-1145.（原文链接）
Ronov A B, Khain V E, Balukhovsky A N, et al. Quantitative analysis of Phanerozoic sedimentation[J]. Sedimentary Geology, 1980, 25(4): 311-325.（原文链接）
（撰稿：兰中伍/岩石圈室）
