南京大学最新Nature

大陆地壳的形成塑造了地球的表面和内部，并产生了我们赖以生存的土地和矿产资源。然而，地球早期大陆地壳是如何形成的仍然存在争议。现代大陆地壳主要是由俯冲带的湿氧化弧岩浆形成的，其中海洋岩石圈和水循环进入地幔。然而，由于普遍存在变质作用，构成早期大陆地壳的古岩石的岩浆水含量和氧化还原状态难以量化。本文结合两个锆石氧压计同时测定了主宰早期大陆地壳的太古宙(40-25亿年前)花岗岩类的岩浆氧逸度(fO2)和H2O含量。

2023年9月27日，南京大学葛荣峰团队在Nature 在线发表题为“Earth’s early continental crust formed from wet and oxidizing arc magmas”的研究论文，该研究发现大多数太古宙花岗岩类岩浆的氧化性比太古宙周围地幔源岩浆高1个log单位，岩浆H2O含量高(6-10 wt%)， H2O/Ce比值高(> 1000)，与现代弧岩浆相似。

该研究发现太古宙花岗岩类岩浆的fO2、H2O含量和H2O/Ce比值与岩浆形成深度呈正相关，需要向下地壳和地幔输送大量的H2O。这些观测结果可以很容易地用俯冲作用来解释，但很难与地壳形成的非俯冲模型相协调。该研究注意到40-36亿年前岩浆中fO2和H2O含量的增加，可能表明这一时期开始俯冲。

地球出露的早期大陆地壳主要由太古代花岗岩类组成，以 tonalite, trondhjemite及granodiorite(TTG)为主，火山岩和沉积岩为辅。因此，破译TTG岩浆的形成条件是理解大陆地壳起源和早期地球主要地球动力学机制的关键。TTG岩浆可以由水合玄武岩的部分熔融或水合玄武岩与中间岩浆的分馏作用产生。大多数太古宙TTG具有微量元素模式(例如，重稀土元素(HREE)的枯竭)，表明形成于garnet稳定的深度，对应于≥0.7-0.8 GPa。

然而，太古宙TTG是在什么构造环境中形成的，仍然存在很大的争议。提出了与俯冲有关的模型和各种非俯冲模型。后者大多预测了一个以大规模火山活动和垂直构造活动为特征的停滞盖构造形式，可能被巨大的撞击打断。以往的研究主要集中在TTG的地球化学多样性及其对TTG岩浆源成分和形成深度的影响，而其他可能在岩浆形成过程中发挥重要作用的变量仍未被探索。

岩浆中fO2和H2O含量与整个岩石组成相关（图源自Nature ）

岩浆氧逸度(fO2)和H2O含量是控制岩浆生成、分化和成矿作用的两个关键变量。在现代地球上，在俯冲带形成的弧岩浆具有高fO2和H2O含量的特征，这在很大程度上是由于大洋板块俯冲释放的氧化流体的涌入。这种潮湿的氧化弧岩浆是现代大陆地壳的主要组成部分。因此，测定太古宙火成岩岩浆中fO2和H2O的含量对于研究早期大陆地壳的形成方式具有重要意义。然而，量化这些古岩石的岩浆fO2和H2O含量是困难的。

通常使用的方法，包括直接测量熔体包裹体中的Fe3+/ΣFe比值和H2O含量，以及基于矿物-熔体平衡的估计，很少适用于太古代岩石，这仅仅是因为熔体包裹体很少或不存在，并且原生矿物可能受到变质作用的修饰。最近对保存完好的太古宙科马岩中含橄榄石的熔体包裹体的研究表明，在33亿年前(Ga)以前，太古宙玄武岩的V/Sc和V/Ti比值表明，太古宙环境地幔可能比现代环境地幔还原≥1个log单位。然而，主要花岗岩类的岩浆fO2和H2O含量在很大程度上仍然未知。

该研究发现大多数太古宙花岗岩类岩浆的氧化性比太古宙周围地幔源岩浆高1个log单位，岩浆H2O含量高(6-10 wt%)， H2O/Ce比值高(> 1000)，与现代弧岩浆相似。该研究发现太古宙花岗岩类岩浆的fO2、H2O含量和H2O/Ce比值与岩浆形成深度呈正相关，需要向下地壳和地幔输送大量的H2O。这些观测结果可以很容易地用俯冲作用来解释，但很难与地壳形成的非俯冲模型相协调。该研究注意到40-36亿年前岩浆中fO2和H2O含量的增加，可能表明这一时期开始俯冲。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06552-0

转自：“iNature”微信公众号

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