【前沿報導】Nature Geoscience：太古代TTG的成因——來自矽同位素的證據
太古代英雲閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖（tonalite–trondhjemite –granodiorite, 即TTG巖系）是大陸地殼的最主要組成部分，對其成因一直存在很大爭議。Nature Geoscience最近同時發表了兩篇文章，從矽同位素的角度對早期陸殼的形成機制進行了探討。其中一篇文章根據非洲Kaapvaal克拉通具代表性的35.1-26.9億年奧長花崗質和花崗質侵入體具有非常一致的、比現代陸殼巖石重0.1-0.2‰的矽同位素，認為它們的鎂鐵質源區受到富矽海水不同程度的矽化。奧長花崗質和花崗質巖石分別來源於SiO2含量52-57 wt%和≥60 wt%的矽化玄武巖的熔融。另外一篇文章顯示來自格陵蘭、加拿大、西伯利亞和斯堪地那維亞等地的40-28億年的TTG也具有類似於上述Kaapvaal克拉通奧長花崗質和花崗質侵入體的富重Si同位素特徵，作者認為這些TTG是由於俯衝的玄武質洋殼及少量燧石(富重Si同位素)的部分熔融而形成，並由此推斷板塊俯衝作用在40億前即已開始。
一、早期陸殼形成於被海水不同程度矽化的玄武巖的重熔（André et al., 2019）
與太陽系內其它類地行星不同，地球具有厚的長英質大陸地殼，其主要形成於地球早期(Pringle et al., 2016)。太古宙的陸殼主要由富鈉的英雲閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖（tonalite–trondhjemite–granodiorite, 即TTG巖系）與富鉀的花崗巖-二長巖-正長巖（granite–monzonite–syenite, 即GMS巖系）組成，釐清這些花崗巖類巖石的形成機制對於理解陸殼在早期如何生長以及為何有別於其它行星至關重要。
現今地球中各主要的矽酸鹽儲庫具有近於一致的平均矽同位素組成。其中，玄武巖質熔體的矽同位素組成(δ30Si = -0.32 ± 0.12‰)與其幔源儲庫(-0.29 ± 0.08‰)沒有區別，但其分異後的熔體具有略重的矽同位素（δ30Si最高達-0.14‰左右），這是因為熔體與結晶相間存在低程度的矽同位素分餾（Δ30Sisolid-melt約為-0.125‰）(Savage, 2011)。這些巖石共同地限定了矽同位素的「火成巖趨勢線」（圖1），即描述了熔體的矽同位素組成同SiO2含量間的相關關係。
圖1 虛線標記的是由Afar和Iceland的巖石（黑方形）分異趨勢確定的線性「火成巖趨勢線」，其等式為δ30Si(‰) = 0.0056*SiO2(wt%) - 0.567。其中虛線周圍灰色的區域是其±0.05‰的不確定度。圖中可見，大多地球上的火成巖落在灰色區域中，各種符號代表了來自不同地區不同類型的巖漿巖，只有過鋁質S型花崗巖（藍色圓點）例外，相同SiO2含量情況下這些過鋁質花崗巖具有比其它巖漿巖更低的δ30Si（André et al., 2019）
前寒武紀的海水是富矽的，這些矽主要來自於發生高溫熱液蝕變的洋殼，富矽的海水導致大量的條帶狀鐵建造（BIF）和燧石以及相關的非晶質矽的沉澱。因為這些沉澱物與海水相比都是富集28Si的，根據質量平衡原理，殘餘的矽飽和海水與之後沉澱的矽隨著時間的推移都將具有更高的δ30Si值。由於以玄武質巖石為主的太古宙大洋基底與重矽特徵的海水反應，導致
它們具有正的矽同位素組成。矽同位素可以在高溫下（>700℃）保持穩定（André et al.，2006），這使得表殼巖石在其達到部分熔融條件時仍保持矽同位素組成不受改變（Savage et al.，2012）。因此，矽同位素可以作為判斷太古宙花崗巖類巖石來源的一種有效手段。
Kaapvaal克拉通Barberton綠巖帶（BGB）的35.1-26.9 億年奧長花崗質和花崗質巖石具有一致的矽同位素特徵，均比現今陸殼巖石更富重矽同位素（高0.1-0.2‰）（圖2）。這種異常的組成可用其鎂鐵質源區作解釋，其中相當一部分（15-35 wt%）為矽化玄武巖，這些巖石在30億年前是常見的表殼巖。在深部發生熔融並產生花崗巖類巖漿前，其相當一部分鎂鐵質源巖與矽飽和的海水反應而變得富矽。矽的加入使得在相同水分活度下角閃石變得更不穩定，從而允許奧長花崗質（TTG）和花崗質（GMS）的熔體能在低溫下從明顯不同SiO2含量（分別是52-57 wt%和≥60 wt%）的源巖中形成。這解釋為什麼花崗巖類能在地球很早期形成，而沒有大量出現在別的星球上。
與其它地區的對比揭示出大多數太古宙早期（也可能包括冥古宙）的長英質巖石具有相似的海水起源的矽組成。這說明矽化的海底源巖的重熔作為形成原始長英質陸核的重要機制具有全球性的普遍意義。
圖2 Kaapvaal克拉通東部的TTG巖（黃菱形）與GMS巖（紅方形）的全巖矽同位素組成。這些巖石的矽同位素組成比「火成巖趨勢線」（小黑色符號代表落在圖1a中火成系列的所有巖石）更重。TTG投圖在序列（藍色虛線）右端，這條虛線是由來自Onverwacht組的未矽化（紫色圓點）、矽化（藍色圓點）變玄武巖和夾層燧石（藍色三角形）限定的。也同時顯示了來自Barberton Buck Reef的其它燧石（白色三角形）以作比較。SiO2在52-57 wt%的橢圓藍色區域是推定的TTG源區成分。與「火成序列」平行的黃色箭頭指示了產生TTG的矽化源巖在平衡熔融時δ30Si和SiO2含量同時升高的趨勢（André et al., 2019）
二、矽同位素揭示太古代花崗巖類來源於俯衝洋殼的熔融（Deng et al., 2019）
該文章獲得35.0-27.0億年科馬提巖（幔源超鎂鐵質火山巖）的δ30Si為-0.29±0.02‰，與通過現今幔源巖石而估計的全矽酸鹽地球（Bulk silicate Earth）值（-0.29±0.01‰）相同，據此作者認為地幔的矽同位素組成自35億年前至今沒有明顯的變化。而39.8-27.9億年的TTG全巖δ30Si為-0.01±0.02‰，不僅明顯高於地幔值（δ30Si=-0.29±0.01‰），而且明顯高於顯生宙I型和A型花崗巖，稍高於現代埃達克巖（圖3）。
圖3 含水拉斑玄武巖在不同地質背景的地熱梯度條件下部分熔融的相平衡關係。幔源巖石包括太古代的TTG和科馬提巖、顯生宙的I型和A型花崗巖以及現代玄武巖、橄欖巖和埃達克巖的δ30Si顯示在內嵌的小圖中。右下的小圖中現代（黑虛線）和太古代（黑實線）幔源巖石與顯生宙花崗巖的Si同位素進行了對比。Plg-斜長石，Hbl-角閃石，Grt-石榴石（Deng et al., 2019）
論文進一步論證了在地熱梯度為40℃/kbar（即～13℃/km），拉斑玄武巖的部分熔融發生在壓力>20 kbar的條件時，殘留礦物為石榴石、單斜輝石、角閃石和金紅石，所產生熔體的Si同位素（δ30Si=-0.02～0.12‰）接近現代埃達克巖（δ30Si=-0.06±0.02‰）。而在地熱梯度為100℃/kbar（即～33℃/km），部分熔融發生在壓力<8-10 kbar的條件時，殘留礦物為單斜輝石、斜長石和角閃石，產生熔體的Si同位素(δ30Si=-0.20～0.10‰)接近顯生宙I型和A型花崗巖（δ30Si=-0.18±0.02‰）。儘管太古代TTG的全巖化學組成與上述顯生宙埃達克巖和花崗巖近於一致，但是其δ30Si偏高+0.1到+0.2‰，這意味著在其源區存在重Si同位素的組分。
太古代的海洋沉積燧石具有高且變化較大的δ30Si值（0～+4‰），並且還富集18O，因此在TTG的源區裡存在少量燧石可以解釋TTG同時具有富集重O和Si同位素的特徵。這樣一個合理的推理是：海底燧石和洋殼一起被俯衝到一定的深度並發生部分熔融產生具有高δ18O和δ30Si的TTG，也表明早在～40億年前至少在局部存在巖石圈的側向運動和沉積物的向下運移，即板塊俯衝作用在40億前即已開始，並且大洋俯衝可能是太古代長英質地殼生長的主要機制。
【致謝：感謝紀偉強副研究員、劉小馳副研究員對本文的完善】
參考文獻
1.André L, Abraham K, Hofmann A, et al. Early continental crust generated by reworking of basalts variably silicified by seawater[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 769-773.
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3.Deng Z, Chaussidon M, Guitreau M, et al. An oceanic subduction origin for Archaean granitoids revealed by silicon isotopes[J]. Nature Geoscience, 2019,12: 774–778.
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（撰稿：劉丹青，姜能/巖石圈）
美編：徐海潮
校對：黃志偉