NC：Jack Hills锆石微量元素反演早期地壳组成

来源：中科院地质地球所

“地球黑暗时期（地球诞生后最初的5亿年，4.5-4.0 Ga）究竟发生了什么”是21世纪固体地球科学的十大研究问题之一（美国国家科学院固体地球科学重大研究问题委员会，2010）。在澳大利亚Jack Hills地区的变沉积岩中，保留了大量地球早期的碎屑锆石（以下简称Jack Hills锆石），其中最古老的年龄可达4.36 Ga。因而Jack Hills锆石成为了探索地球黑暗时期地质演化的最重要窗口。 

近20年来，研究者利用各类地球化学方法（例如Ti温度计、REE氧逸度计、O同位素、Hf同位素、Li同位素、包体矿物等）探索保存在Jack Hills锆石中的早期地球的地壳组成信息。然而，关于早期地球的地壳组成和形成机制仍未有定论。例如，早期地球的地壳是镁铁质的还是长英质的？有没有沉积物加入早期地球的岩浆源区？Jack Hills锆石的母岩浆是TTG，俯冲有关的弧岩浆，板内镁铁质岩浆，还是冲击成因的岩浆？ 

近期，研究者发现Jack Hills锆石的微量元素组成中蕴含了早期地球的地壳组成信息。其中最有代表性的工作为2017年澳大利亚国立大学的Andrew Berry教授课题组发表于Nature Geoscience的研究以及2020年澳大利亚麦考瑞大学Simon Turner教授及其合作者发表于Nature Communication的研究，两者都通过构建判别图解的方法，尝试探索Jack Hills锆石的母岩浆组成。 

前者建立了锆石微量元素的REE+Y vs P图解（图1a），并且发现Jack Hills锆石的微量元素组成在图解中明显不同于S型花岗岩锆石（往往P＞20μmol/g）而接近于I型花岗岩锆石（往往P＜20μol/g），推断Jack Hills锆石的母岩浆成分可能更接近I型花岗岩，即类似于TTG（Burnham and Berry，2017）。后者通过使用分配系数将锆石微量元素转化为熔体微量元素，进而运用经典的Pearce图解（图2）示踪Jack Hills锆石的母岩浆成分（Turner et al., 2020），最终得出Jack Hills锆石的母岩浆与现代俯冲环境的弧岩浆（安山岩）相近的结论。 

图1 Jack Hills锆石微量元素组成与I型花岗岩锆石和S型花岗岩锆石的对比 (Burnham and Berry, 2017)

图2 Jack Hills锆石的母岩浆成分与冲击成因岩浆（Sudbury）、TTG、现代不同构造背景岩浆（弧、洋中脊、洋岛）的对比 (Turner et al., 2020)　　

基于Jack Hills锆石的微量元素组成，两个研究团队得出早期地球的地壳具有完全不同的成分（TTG vs 安山岩），这意味着其中至少一个研究是不可靠的。幸运的是，我们有机会看到其他研究者和评审专家对这两篇文章的评述。其中Bell (2017)在Nature Geoscience撰文指出，REE+Y vs P图解在P＜20μmol/g的区域具有显著的重叠（图1b），大大削弱了其预测Jack Hills锆石母岩浆成分的准确性，其结论无法支持绝大多数Jack Hills都结晶自TTG的结论。Turner et al. (2020)的审稿人2委婉指出，使用分配系数反演Jack Hills锆石母岩浆成分的可靠性是难以评估的(I can’t evaluate if these composition estimates are robust or how dependent they are on the choice of partition coefficients) 。 

综上所述，这两篇Jack Hills锆石微量元素研究虽然为早期地球的地壳组成提供了一定的参考和制约，但由于本身存在一定的问题，使其难以真实准确地揭示早期地球的地壳组成。事实上，锆石微量元素组成的影响因素是非常复杂的，它不仅仅受岩浆成分的控制，还会受到诸如岩浆演化（例如矿物的分离结晶）、包体矿物、后期蚀变、晶格结构（例如晶格应变模型）等因素的影响（Zou et al., 2019）。因此，从锆石微量元素中提取出能够真实反映岩浆组成的信息，是利用Jack Hills锆石微量元素反演早期地球的地壳组成的核心前提。这要求研究者从原理上进一步深化对锆石微量元素形成机制的认识、进一步加深对锆石微量元素指标和图解主控因素的认识。但无论如何，锆石微量元素正日益展现出示踪岩浆组成与岩浆过程的巨大潜力。

参考文献

1.美国国家科学院固体地球科学重大研究问题委员会.地球的起源和演化——变化行星的研究问题[M]. 张志强，郑军卫，王天送等译.北京: 科学出版社, 2010. 

2.Turner S, Wilde S, Worner G, et al. An andesitic source for Jack Hills zircon supports onset of plate tectonics in the Hadean[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1241.

3.Burnham A D, Berry A J. Formation of Hadean granites by melting of igneous crust[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(6): 457-461.

4.Bell E. Petrology: Ancient magma sources revealed[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(6): 397-398.

5.Zou X, Qin K, Han X, et al. Insight into zircon REE oxy-barometers: A lattice strain model perspective[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 87-96.