大陆地壳是人类赖以生存发展最基本的物质基础。挥发分是地球的血液，对大陆地壳的形成有重要影响。近日，我院夏小平教授与香港大学赵国春院士团队合作研究，利用夏小平教授团队独家研发的锆石水含量与氧同位素同时测试方法对华北克拉通东部板块太古代TTG岩石开展研究，提出早期地球挥发分循环以及大陆地壳的起源可能与地幔柱相关的洋底高原环境，而非板块构造体制下俯冲主导的岛弧环境相关。相关成果以“A two-stage mantle plume-sagduction origin of Archean continental crust revealed by water and oxygen isotopes of TTGs”为题在国际学术期刊《Science Advances》上在线发表。该项研究成果对揭示早期地球挥发分循环、大陆地壳的起源以及板块构造的启动具有重要意义。
在太阳系中，地球是唯一一个拥有长英质大陆地壳的行星。大陆地壳的形成对于地球演化、板块运动和行星宜居性的研究至关重要。大部分大陆地壳形成于太古宙[>25亿年前（Ga）]时期。学界普遍认为，太古宙的长英质大陆地壳主要通过镁铁质地壳的部分熔融形成奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩（TTG）岩套。然而，关于太古宙大陆地壳形成的构造背景仍长期存在争议，究竟是现代板块构造体系下的俯冲作用，还是非板块构造机制（例如地幔柱等）所主导？
针对这个问题，该研究团队开发了大型二次离子质谱锆石水含量和氧同位素同时测定方法并应用于早期TTG岩石，综合锆石的水含量、氧同位素、微量元素和U-Pb-Hf同位素，以及全岩主微量元素数据，首次揭示了华北克拉通东部陆块约25亿年前TTG岩石具有“低水含量”和“高氧同位素δ18O”的特征（图1、图2）。尽管俯冲洋壳或表壳岩的加入都可以形成TTG的高δ18O特征，但通过与华北克拉通中部造山带俯冲相关的同时代TTG对比，以及用相图模拟不同端元对源区的水含量贡献，源区中的少量壳源物质被限定为凹沉作用带入的而非俯冲作用带入的表壳岩。研究还发现TTG的锆石水含量与O同位素呈现负相关性，与Hf同位素成正相关（图2），进一步证明TTG的水来源于幔源洋底高原而非传统认为的壳源物质。研究结果表明该TTG的基性源区为洋底高原玄武质岩石与少量表壳岩混合形成。
因此，研究的TTG岩石形成于地幔柱构造环境，而不是俯冲成因。根据U-Pb-Hf同位素数据，该TTG的二阶段模式年龄为27亿年前。在此基础上，研究团队提出了“两阶段地幔柱—凹沉模型”（图3）：在第一阶段（约27亿年前），地幔柱上涌形成洋底高原，其部分熔融可形成少量TTG岩石（低水含量，幔源δ18O），洋底高原上部的表壳岩与海水相互作用；在第二阶段（约25亿年前），新的地幔柱上涌，表壳岩发生重力沉降进入先前形成的洋底高原底部，与幔源的洋底高原玄武质岩石混合。地幔柱的热量促使混合的铁镁质源区熔融，并生成大量TTG岩石（低水含量，高δ18O）。
上述研究结果不仅展示了锆石水含量在厘清早期地壳构造体制中的关键作用，还推动了对大陆起源的研究，证明了太古宙大陆地壳的形成不一定需要俯冲作用，而是可能由地幔柱驱动的构造机制所主导。
香港大学赵丁一博士为该论文第一作者，香港大学、西北大学赵国春院士和我院夏小平教授为论文通讯作者。
（论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9513）
配图
图1. 华北克拉通东部陆块与中部造山带TTG岩石的锆石水含量特征
图2. 华北克拉通东部陆块TTG岩石的锆石水含量与O同位素和Hf同位素的相关图
图3. 两阶段地幔柱—凹沉模型中TTG形成的图解
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