发布时间：2025-01-20浏览次数：94
在太阳系中，花岗质陆壳是地球这一行星所独有的，其形成和演化也一直是地球科学研究中的重要问题，尤其在早期陆壳的成因问题上仍有许多争议。地球最初的陆壳主要是由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG）组成，这些花岗质岩石的诞生最早可追溯至约40亿年前，是探究陆壳形成问题的重要对象。陆壳TTG岩石是亏损重稀土而富集轻稀土的钠质花岗岩，通常被认为起源于水化玄武岩的部分熔融。然而，对于其形成的构造环境却众说纷纭，如俯冲板片、洋底高原底部洋壳和汇聚板块边缘加厚洋壳等，这阻碍了对早期地球陆壳形成和生长机制的进一步认识，因此有必要深入探索TTG岩石的成因。
针对这一问题，南京大学关键地球物质循环与成矿全国重点实验室王孝磊教授团队应用K稳定同位素这一新兴的地球化学示踪工具，对南非卡普瓦尔克拉通内巴伯顿绿岩-花岗质杂岩带35亿年前的TTG和绿岩（图1）进行地球化学研究。结果表明，这些由大洋玄武岩变质而成的古太古代绿岩具有不均一的K同位素组成，变化范围为‒0.69 ± 0.07‰至‒0.32 ± 0.05‰，超出了现代洋中脊玄武岩的范围‒0.6‰至‒0.3‰（图2），这一特征与现今受到海水热液蚀变的洋壳（AOC）相似。绿岩样品的K含量相对富集程度以K/Nb比值表示（图2），与其全岩δ41K值呈现显著的负相关性，而两端分别反映了低温蚀变（< 150 ℃）所导致的K富集和δ41K负漂以及高温蚀变（> 400 ℃）所导致的K亏损和δ41K正漂（图2）。
图1.研究区地质图与采样地点。（a）南非卡普瓦尔克拉通；（b）卡普瓦尔克拉通东部部分地区地质图；（c）部分巴伯顿绿岩-花岗质杂岩带地质图。
图2.古太古代绿岩样品δ41K与K/Nb投图。紫色十字为新鲜洋中脊玄武岩，蓝色实心区域为现代海水，蓝色阴影区域为太古宙海水推测值，绿色区域为现代高温或低温蚀变洋壳。箭头分别指向太古宙高温或低温蚀变洋壳。
另外，经历不同温度海水热液蚀变的洋壳将具有不同的O同位素组成：低温蚀变洋壳δ18O高于地幔值（5.3 ± 0.3‰，1σ），而高温蚀变洋壳接近或低于地幔值。这些O同位素与K同位素变化之间的差异即使经历岩浆过程也不会受到改变，正如在TTG样品中所观察到的两个端元，分别记录了高温蚀变洋壳和低温蚀变洋壳的信号（图3）。这表明，两种海水热液蚀变的玄武岩可能是TTG的重要源区。要想同时形成具有不同K-O同位素组成的TTG，需要两种蚀变洋壳同时存在，而这一情形只可能存在于类似现代洋中脊的地方。在那里，低温和高温蚀变在同时在浅部和深部分别发生，产生低δ41K高δ18O的低温蚀变洋壳和高δ41K低δ18O的高温蚀变洋壳。
图3.古太古代TTG样品δ41K与锆石O同位素投图。绿色十字为地幔值，箭头分别指向高温或低温蚀变洋壳源区。
在太古宙早期，岩石圈张裂将导致在离散板块边缘形成高温裂谷，以及在汇聚板块边缘造成“暖”俯冲或“硬”碰撞，其对于从海底扩张到板块碰撞或俯冲的构造转换可能是至关重要的。无论是“暖”俯冲还是“硬”碰撞，都可以将产生自离散板块边缘的高/低温蚀变洋壳传送到汇聚板块边缘的地壳深部，使其作为TTG的岩浆源区。这一情形反映了太古宙时期的“威尔逊旋回”，并可以被分为三个阶段（图4）：（1）在离散板块边缘，由洋中脊形成的玄武质洋壳经历海水热液的低温和高温蚀变；（2）蚀变洋壳随海底扩张迁移到汇聚板块边缘，在那里与同样受到海水热液蚀变的另一洋壳发生碰撞而加厚；（3）随着汇聚板块边缘的陈化，岩石圈地幔发生拆沉，诱发软流圈地幔上涌从而加热上覆加厚洋壳，使其发生部分熔融形成TTG岩浆。这个三阶段模型符合目前对于太古宙板块性质的基本认识：（1）由于地球早期地幔温度较高，离散板块边缘处可以因海底扩张而产生相对较厚的洋壳；（2）太古宙板块具有更强的韧性，在汇聚板块边缘可能既发生“暖”俯冲而引起岛弧岩浆作用，也可以发生“硬”碰撞导致镁铁质地壳进一步加厚。因此，该模型对于认识太古宙时期的陆壳形成与演化具有重要意义。
图4.古太古代TTG构造起源示意图，详见文中。下方图示洋壳的分层结构，从上至下依次为玄武岩、席状岩墙和辉长岩；左、右、下轴分别为K含量、δ18O和δ41K；红色五角星代表未受蚀变改造区域，箭头分别指向富K低δ41K高δ18O的浅部低温蚀变洋壳和相反的贫K高δ41K低δ18O的深部高温蚀变洋壳。
该研究通过K同位素揭示了古太古代陆壳TTG岩石与洋壳玄武质岩石之间在地球化学成分上的继承和发展关系，表明当时存在着不同性质的海水热液蚀变的玄武质洋壳，为陆壳TTG岩浆提供了源区储备，而海水热液蚀变是TTG岩浆源区水化的基本原因。这些洋壳蚀变岩石在汇聚板块边缘不仅加厚而且熔融，记录了古太古代时期地球表面板块的侧向运动、碰撞加厚和拆沉减薄过程，描绘了一种三阶段过程的早期威尔逊旋回样式，并为早期陆壳的形成提供了一种可能的机制。
上述成果近日以“Potassium isotope evidence for origin of Archean TTG rocks from seawater-hydrothermally altered oceanic crust”为题在线发表于国际地球科学期刊《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》上，南京大学地球科学与工程学院王孝磊教授和李伟强教授共同指导的博士研究生熊定一为论文的第一作者，王孝磊教授为通讯作者，本工作也是将金属稳定同位素应用于早期大陆演化研究的一个尝试。论文作者还包括中国科学技术大学的郑永飞院士、南非金山大学的Carl R. Anhaeusser教授、南非约翰内斯堡大学的Axel Hofmann教授，以及南京大学地球科学与工程学院的王迪博士（现在河海大学工作）和李军勇博士。
本研究得到了国家自然科学基金（42025202）、中央高校基本科研基金（0206-14380166）和关键地球物质循环前沿科学中心的联合资助，论文作者对Alfred Kröner教授在野外的协助和对安诗超博士和穆军在分析测试上的指导表示衷心感谢。
附本文链接：
https://doi.org/10.1029/2024GC011892