大陸地殼是人類(lèi)賴(lài)以生存發(fā)展最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。揮發(fā)分是地球的血液，對(duì)大陸地殼的形成有重要影響。近日，我院夏小平教授與香港大學(xué)趙國(guó)春院士團(tuán)隊(duì)合作研究，利用夏小平教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)家研發(fā)的鋯石水含量與氧同位素同時(shí)測(cè)試方法對(duì)華北克拉通東部板塊太古代TTG巖石開(kāi)展研究，提出早期地球揮發(fā)分循環(huán)以及大陸地殼的起源可能與地幔柱相關(guān)的洋底高原環(huán)境，而非板塊構(gòu)造體制下俯沖主導(dǎo)的島弧環(huán)境相關(guān)。相關(guān)成果以“A two-stage mantle plume-sagduction origin of Archean continental crust revealed by water and oxygen isotopes of TTGs”為題在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science Advances》上在線發(fā)表。該項(xiàng)研究成果對(duì)揭示早期地球揮發(fā)分循環(huán)、大陸地殼的起源以及板塊構(gòu)造的啟動(dòng)具有重要意義。
在太陽(yáng)系中，地球是唯一一個(gè)擁有長(zhǎng)英質(zhì)大陸地殼的行星。大陸地殼的形成對(duì)于地球演化、板塊運(yùn)動(dòng)和行星宜居性的研究至關(guān)重要。大部分大陸地殼形成于太古宙[>25億年前（Ga）]時(shí)期。學(xué)界普遍認(rèn)為，太古宙的長(zhǎng)英質(zhì)大陸地殼主要通過(guò)鎂鐵質(zhì)地殼的部分熔融形成奧長(zhǎng)花崗巖-英云閃長(zhǎng)巖-花崗閃長(zhǎng)巖（TTG）巖套。然而，關(guān)于太古宙大陸地殼形成的構(gòu)造背景仍長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議，究竟是現(xiàn)代板塊構(gòu)造體系下的俯沖作用，還是非板塊構(gòu)造機(jī)制（例如地幔柱等）所主導(dǎo)？
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了大型二次離子質(zhì)譜鋯石水含量和氧同位素同時(shí)測(cè)定方法并應(yīng)用于早期TTG巖石，綜合鋯石的水含量、氧同位素、微量元素和U-Pb-Hf同位素，以及全巖主微量元素?cái)?shù)據(jù)，首次揭示了華北克拉通東部陸塊約25億年前TTG巖石具有“低水含量”和“高氧同位素δ18O”的特征（圖1、圖2）。盡管俯沖洋殼或表殼巖的加入都可以形成TTG的高δ18O特征，但通過(guò)與華北克拉通中部造山帶俯沖相關(guān)的同時(shí)代TTG對(duì)比，以及用相圖模擬不同端元對(duì)源區(qū)的水含量貢獻(xiàn)，源區(qū)中的少量殼源物質(zhì)被限定為凹沉作用帶入的而非俯沖作用帶入的表殼巖。研究還發(fā)現(xiàn)TTG的鋯石水含量與O同位素呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，與Hf同位素成正相關(guān)（圖2），進(jìn)一步證明TTG的水來(lái)源于幔源洋底高原而非傳統(tǒng)認(rèn)為的殼源物質(zhì)。研究結(jié)果表明該TTG的基性源區(qū)為洋底高原玄武質(zhì)巖石與少量表殼巖混合形成。
因此，研究的TTG巖石形成于地幔柱構(gòu)造環(huán)境，而不是俯沖成因。根據(jù)U-Pb-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)，該TTG的二階段模式年齡為27億年前。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)提出了“兩階段地幔柱—凹沉模型”（圖3）：在第一階段（約27億年前），地幔柱上涌形成洋底高原，其部分熔融可形成少量TTG巖石（低水含量，幔源δ18O），洋底高原上部的表殼巖與海水相互作用；在第二階段（約25億年前），新的地幔柱上涌，表殼巖發(fā)生重力沉降進(jìn)入先前形成的洋底高原底部，與幔源的洋底高原玄武質(zhì)巖石混合。地幔柱的熱量促使混合的鐵鎂質(zhì)源區(qū)熔融，并生成大量TTG巖石（低水含量，高δ18O）。
上述研究結(jié)果不僅展示了鋯石水含量在厘清早期地殼構(gòu)造體制中的關(guān)鍵作用，還推動(dòng)了對(duì)大陸起源的研究，證明了太古宙大陸地殼的形成不一定需要俯沖作用，而是可能由地幔柱驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造機(jī)制所主導(dǎo)。
香港大學(xué)趙丁一博士為該論文第一作者，香港大學(xué)、西北大學(xué)趙國(guó)春院士和我院夏小平教授為論文通訊作者。
（論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9513）
配圖
圖1. 華北克拉通東部陸塊與中部造山帶TTG巖石的鋯石水含量特征
圖2. 華北克拉通東部陸塊TTG巖石的鋯石水含量與O同位素和Hf同位素的相關(guān)圖
圖3. 兩階段地幔柱—凹沉模型中TTG形成的圖解
