古老岩石揭示40亿年前的特殊构造体制

板块构造是地球区别于其他行星的重要标志之一，但在地球早期是否存在板块构造存在争议。目前，关于这一问题存在两个模型——活动盖壳构造（mobile-lid regime）和滞盖构造（stagnant-lid regime）。活动盖壳构造区别于滞盖构造的显著特征之一是表壳物质能够有效的通过某种形式的“俯冲”再循环进入地球深部，进而改造不同深度岩浆源区的地球化学和同位素组成。在滞盖构造体制下，表壳物质再循环进入地球深部的效率极低。因此，研究地球早期岩石的同位素组成，是探讨地球早期表壳物质再循环和构造体制的有效手段。 

硅（Si）有三种同位素——28Si、29Si和30Si，与表壳过程相比，深部地质过程较难引起显著的Si同位素分馏，因而Si同位素是研究表壳物质循环的灵敏示踪剂。由于缺乏大规模生物硅化过程，太古代海水中Si的浓度显著高于显生宙，因此早期硅化洋壳富集重硅同位素。风化作用、低温水岩相互作用和洋壳硅化过程也会引起O同位素的显著改变，因此综合应用Si-O同位素体系可以有效识别相关的表壳物质循环。 

然而，探究地球最古老岩石的Si-O同位素组成存在难度。原因之一是这些岩石在后期地质过程中经历多期变质和混合岩化作用，古老锆石的辐射损伤会导致锆石产生严重的蜕晶化，原始岩石的地球化学和同位素组成是否重置难以确定。原因之二是岩浆岩Si同位素分馏有限，对微区Si同位素分析精度要求颇高。 

为了进一步明确地球早期构造体制，中国科学院地质与地球物理研究所李献华院士团队博士后张晴和副研究员赵磊，与中国科技大学等合作，对全球出露的最古老岩石——加拿大西北部40亿年的阿卡斯塔TTG岩石进行系统的锆石U-Pb定年，应用自主研发的超高精度SIMS微区Si同位素分析等技术，获得了这些岩石的锆石、石英和全岩的高精度Si-O同位素数据。在系统归纳已发表的相关数据基础上，研究通过详细的数据分析筛选，揭示了地球早期岩石样品Si同位素组成的规律性变化：40亿年的TTG岩石的Si同位素组成偏轻，与显生宙岩浆岩Si同位素组成趋势相当；显示重Si同位素组成的TTG从38亿年开始出现（图1）。

研究显示，利用锆石Si-O同位素的协同演化，可排除40亿年TTG的岩浆源区存在再循环的表壳物质（O同位素略高于地幔值而Si同位素为地幔值，图2）。而之后岩石较高的O同位素组成和偏重的Si同位素组成，则表明其岩浆源区存在大量再循环的表壳物质。地球早期TTG所显示的这种从40亿年到38亿年Si-O同位素组成的系统性变化，表明其形成于不同的构造体制。也就是说，40亿年TTG的形成环境对应滞盖构造体制，而38亿年后TTG的形成环境则转变为活动盖壳构造（图3）。

相关研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究工作得到国家自然科学基金的支持。

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图1. 太古代TTG锆石、石英和全岩的硅同位素组成随时间演化。单矿物和全岩的Si同位素组成均显示类似的40到38亿年的规律性变化。

图2. 地球早期锆石Si-O同位素组成的变化以及引起其变化趋势的原因。

图3. 在40–25亿年前，海水中硅含量饱和，硅化洋壳富含重硅。研究发现最古老的40亿年的岩石形成过程中没有表壳重Si物质的加入，在约38亿年以来，表壳的重Si同位素信号才开始出现在花岗质岩中。