作者:王孝磊等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/18 17:25:26
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32亿年前的地表物质深循环

板块俯冲作用可以使地表物质向下,到达地壳深部或地幔,从而引发水等挥发分物质的深部再循环。然而在地球演化的早期阶段,并不存在现代的板块构造。在那时,地表物质是如何运动、演化的?是否也存在“地表物质深循环”?

为深入探索地球早期的动力学机制,南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室王孝磊教授团队对南非Kaapvaal克拉通Barberton地区进行了多次野外科考工作。该区出露有典型的古太古代-中太古代花岗质岩石,且保存较为新鲜。该团队对本区32–34.6亿年前的“TTG岩石”(地球早期特征的花岗质岩石)进行系统的采样和室内分析,获取了该地区TTG岩石的同位素年代学和地球化学以及锆石原位微区氧同位素数据。这些新的数据揭示,地球早期地表物质深循环的启动可能与构造体制的转换有关。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。

发现:TTG锆石氧同位素组成的突变

锆石是花岗质岩石中常见的副矿物,也是U-Pb同位素定年的重要对象,而且,其形成时所记录的岩浆氧同位素组成也可被有效保存。目前,对地球形成最初5亿年历史的研究也大多从锆石中获得。

对于南非Barberton地区的TTG岩石,研究者对其中的锆石进行离子探针U-Pb定年,确定这些花岗质岩石主要形成于3460–3420 Ma和3205–3265 Ma两个阶段(Ma指“百万年前”)。

更进一步,研究者选择U-Pb体系封闭的锆石颗粒,进行离子探针原位氧同位素分析,发现大约以3230 Ma为界,该区TTG岩石中的锆石氧同位素组成(表示为δ18O值)发生了一次突变——

l >3230 Ma,δ18O与地幔值的范围(5.3±0.6 ‰)内,平均值分布在5.07–6.02 ‰之间;

l ≤3230 Ma,δ18O更高,基本在6 ‰以上,位于5.95–7.08 ‰之间,个别分析点的值甚至接近8‰。

这一突变从何而来?是否受到了其他因素的影响?>3230 Ma和≤3230 Ma的TTG岩石侵位深度相似、围岩相同,可以排除地壳混染对氧同位素变化的影响。研究者又使用锆石激光拉曼光谱分析和累积辐射计算,认为这些氧同位素分析结果基本没有受到锆石放射性衰变的影响。因此可以相信,这种氧同位素变化是可靠的。

启示:地表物质深循环在32亿年前就已出现

在这些TTG样品中,不只是δ18O发生了突变,全岩微量元素也发生了同步改变。≤3230 Ma的TTG岩石中稀土元素Dy/Yb的比值更高,意味着其源区有更多的石榴子石矿物残留,这说明其岩浆来源比>3230 Ma的TTG更深(>40 km)。

综合上述信息,研究者认为这种氧同位素的系统性升高是这样发生的:地表低温水岩反应使地表物质的δ18O升高,在3230 Ma左右这些物质被带到超过40 km深的地下,并发生熔融,孕育出新的TTG岩石,于是,这些新的、≤3230 Ma的TTG岩石中记录了高δ18O的同位素特征。

最近,Smithies et al. (2021, Nature)报道了29亿年前的氧同位素变化,而研究者此次观察到的氧同位素变化比这还要早。而且在格陵兰、澳大利亚和印度南部,都有类似的32亿年前氧同位素变化的痕迹,意味着这一时期的氧同位素变化应当具有一定的规模。进一步,该变化与Barberton地区页岩的三氧同位素突然下降(Bindeman et al. 2018, Nature)也一致。

机制:低温热液蚀变的镁铁质洋壳发生部分熔融

“沉”入地下,并引起氧同位素升高的是哪一种岩石?

一种可能是地表的燧石和页岩。在古太古代,这些地表燧石和页岩的δ18O可达10‰以上,而这些≤3230 Ma的TTG岩石锆石氧同位素δ18O并没有高太多。显然,玄武质岩浆在海底喷发时与海水之间的低温热液蚀变,是升高其δ18O值的最可能机制。在约3230 Ma,这些玄武质地壳由于全球构造体制的改变(如俯冲作用的启动)而被带到地壳深部,在那里发生熔融就可以产生高δ18O的TTG岩石。

之前曾有报道称,在冥古宙碎屑锆石中也测到了高δ18O值。如果这些测量结果可信,那么这种高δ18O值可能同样反映着地表物质的再循环。这种再循环可能是偶尔的局部发生的,不具大区域或者全球的特征。而且,这些碎屑锆石仅以矿物单晶出现,缺乏全岩的元素地球化学资料,也就无法准确限定再循环后发生熔融的深度。

与冥古宙的情况不同,本次工作发现的氧同位素升高是一个系统性的突变,在其他大陆也有记录,且对应于全球Re亏损模式年龄指示的克拉通化的生长,这首次有力地证明了,32亿年前地表物质成规模地深循环到>40 km的深度。

模型:地球早期的原始俯冲与花岗岩的产生

关于地球早期板块构造的启动时间和机制,还存在较大的争议。目前的研究表明,当时的地幔温度较高,古代板块构造如果存在,应是以暖俯冲(不同于现今的冷的板片俯冲)的形式进行。俯冲的洋壳本身就很厚,然后在汇聚板块边缘进一步加厚(类似于大陆碰撞带)。当加厚到一定程度时,沿加厚的边缘出现重力不稳定,导致根部发生拆沉,结果引起深部低温蚀变玄武质洋壳发生部分熔融,产生高δ18O的TTG岩石。因此,TTG岩石的源岩产生在发散板块边缘的洋中脊,而形成TTG岩石的位置是汇聚板块边缘。产生TTG的这个两阶段机制可能最早出现在始太古代(约40亿年前),并一直持续到晚太古代。

在今天,地表物质深循环常发生于俯冲带边缘。但是Barberton的这一地表物质深循环与此不同,有着不同的诱发机制,可能是早期的一种特殊形式,可称为“原始俯冲”。由于早期地球的地幔温度更高,这种俯冲不能持续太久,可能是间歇的幕式出现的,这可能也是TTG岩石时代不连续的一个重要原因。这种原始俯冲可以使得地表的挥发分进入地球内部,并由于水的润滑作用推动正常俯冲的逐渐产生。

南京大学王孝磊教授为该论文第一作者和通讯作者,北京大学唐铭研究员、法国里昂大学J.F. Moyen教授、德国美因茨大学A. Kröner教授(2019年仙逝)、英国布里斯托大学C. J. Hawkesworth教授、科院广州地球化学研究所夏小平研究员、中国地质科学院颉颃强研究员、南非威特沃特斯兰德大学C. R. Anhaeusser教授、南非约翰内斯堡大学A. Hofmann教授参与该论文工作,合作作者还包括南京大学王迪博士和博士研究生李军勇、李林森。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab136

 
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