GCA：太古宙矽酸鹽地球均一化的W同位素證據及對地球構造體制轉換的制約

梅清風等-GCA：太古宙矽酸鹽地球均一化的W同位素證據及對地球構造體制轉換的制約

地球早期演化是地質學研究的前沿熱點之一，其主要研究對象是冥古宙和太古宙的古老地球樣品，這些樣品通常被後期地質作用所改造，傳統地球化學分析方法很難獲得原始信息。短壽命放射性衰變體系能夠獲取古老樣品的原始信息，182Hf-182W短壽命放射性衰變體系的半衰期僅8.9Ma，其放射性母體182Hf僅存在於太陽系歷史的最初60Ma內。自182Hf滅絕後，體系不再產生放射性成因182W的積累，因此體系的182W/184W比值受後期地質過程影響較小，可記錄與地球早期演化有關的地質事件。

根據182Hf-182W體系的上述特點，前人對地球古老樣品進行了W同位素研究，在獲得了早期地幔分異和後增生作用的新證據的同時，也提出了重要的科學問題：全球範圍內，地幔W同位素組成隨時間的變化是否具有一個普遍的規律？針對這一科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室博士生梅清風與其導師楊進輝研究員等率先在國內建立了高精度Hf-W同位素分析技術（Mei et al., JAAS, 2018），並利用這一技術分析了來自Slave克拉通、Kaapvaal克拉通和華北克拉通40-29億年的中酸性巖石樣品的W同位素（圖1），擬從時間維度上理解早期地幔分異與W同位素均一化的進程。

結果顯示，Slave克拉通Acasta片麻巖雜巖中的40億年奧長花崗質片麻巖和華北克拉通鞍山38億年的奧長花崗質片麻巖和奧長花崗巖均具有μ182W正異常，標誌著38億年前地幔與後增生物質尚未完全混合；鞍山38億年巖石樣品同時具有μ142Nd正異常，揭示了太陽系形成後的60Ma內發生的地幔分異，這是由於早期地幔分異產生的虧損區域具有高的Hf/W和Sm/Nd比值，經182Hf和146Sm的衰變形成μ182W和μ142Nd的正異常（圖2）。他們的研究表明，地幔中W同位素異常可保存較長時間，在36億年前地幔的混合效率低，與此時地球以局部物質垂向運動為主導的構造體制相對應（圖3A）。

與之相比，年齡小於36億年的樣品通常都具有與現今地幔值一致的W同位素組成，包括Barberton綠巖帶的奧長花崗質片麻巖、鉀質花崗巖和角閃巖以及鞍山地區33-29億年的TTG巖石，是迄今為止地球上發現最老具有現今矽酸鹽地球W同位素組成的樣品，標誌著地球自36億年開始出現地幔混合效率的提高，地幔W同位素開始均一化，這種高效率地幔混合標誌著地球上俯衝作用的起始，代表了地球上構造體制開始由垂向運動為主的構造體制轉變為以水平運動為主的板塊構造體制，這一過渡期至少持續到27億年（圖3B）。36-27億年之後，全球尺度的現代板塊構造體制形成，地幔高效對流，不同W同位素組成的區域充分混合，最終形成了現今W同位素組成相對均一的地幔（圖3C）。

圖1 地球樣品（＞2.5 Ga）的W同位素組成

圖2 早期地幔分異產生的虧損區域具有高Hf/W、Sm/Nd比值，182Hf與146Sm衰變後產生耦合的182W-142Nd正異常

圖3 地球W同位素組成與構造體制的轉換。A.以垂向運動為主導的構造體制；B.局部俯衝，向板塊構造過渡；C.現代板塊構造

研究成果發表於國際權威學術期刊GCA。（Mei Q F, Yang J H*, Wang Y F, et al. Tungstenisotopic constraints on homogenization of the Archean silicate Earth:Implications for the transition of tectonic regimes[J]. Geochimica etCosmochimica Acta, 2020, 278: 51-64.DOI: 10.1016/j.gca.2019.07.050）

梅清風等-GCA：太古宙矽酸鹽地球均一化的W同位素證據及對地球構造體制轉換的制約

地球早期演化是地質學研究的前沿熱點之一，其主要研究對象是冥古宙和太古宙的古老地球樣品，這些樣品通常被後期地質作用所改造，傳統地球化學分析方法很難獲得原始信息。短壽命放射性衰變體系能夠獲取古老樣品的原始信息，182Hf-182W短壽命放射性衰變體系的半衰期僅8.9Ma，其放射性母體182Hf僅存在於太陽系歷史的最初60Ma內。自182Hf滅絕後，體系不再產生放射性成因182W的積累，因此體系的182W/184W比值受後期地質過程影響較小，可記錄與地球早期演化有關的地質事件。

根據182Hf-182W體系的上述特點，前人對地球古老樣品進行了W同位素研究，在獲得了早期地幔分異和後增生作用的新證據的同時，也提出了重要的科學問題：全球範圍內，地幔W同位素組成隨時間的變化是否具有一個普遍的規律？針對這一科學問題，中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室博士生梅清風與其導師楊進輝研究員等率先在國內建立了高精度Hf-W同位素分析技術（Mei et al., JAAS, 2018），並利用這一技術分析了來自Slave克拉通、Kaapvaal克拉通和華北克拉通40-29億年的中酸性巖石樣品的W同位素（圖1），擬從時間維度上理解早期地幔分異與W同位素均一化的進程。

結果顯示，Slave克拉通Acasta片麻巖雜巖中的40億年奧長花崗質片麻巖和華北克拉通鞍山38億年的奧長花崗質片麻巖和奧長花崗巖均具有μ182W正異常，標誌著38億年前地幔與後增生物質尚未完全混合；鞍山38億年巖石樣品同時具有μ142Nd正異常，揭示了太陽系形成後的60Ma內發生的地幔分異，這是由於早期地幔分異產生的虧損區域具有高的Hf/W和Sm/Nd比值，經182Hf和146Sm的衰變形成μ182W和μ142Nd的正異常（圖2）。他們的研究表明，地幔中W同位素異常可保存較長時間，在36億年前地幔的混合效率低，與此時地球以局部物質垂向運動為主導的構造體制相對應（圖3A）。

與之相比，年齡小於36億年的樣品通常都具有與現今地幔值一致的W同位素組成，包括Barberton綠巖帶的奧長花崗質片麻巖、鉀質花崗巖和角閃巖以及鞍山地區33-29億年的TTG巖石，是迄今為止地球上發現最老具有現今矽酸鹽地球W同位素組成的樣品，標誌著地球自36億年開始出現地幔混合效率的提高，地幔W同位素開始均一化，這種高效率地幔混合標誌著地球上俯衝作用的起始，代表了地球上構造體制開始由垂向運動為主的構造體制轉變為以水平運動為主的板塊構造體制，這一過渡期至少持續到27億年（圖3B）。36-27億年之後，全球尺度的現代板塊構造體制形成，地幔高效對流，不同W同位素組成的區域充分混合，最終形成了現今W同位素組成相對均一的地幔（圖3C）。

圖1 地球樣品（＞2.5 Ga）的W同位素組成

圖2 早期地幔分異產生的虧損區域具有高Hf/W、Sm/Nd比值，182Hf與146Sm衰變後產生耦合的182W-142Nd正異常

圖3 地球W同位素組成與構造體制的轉換。A.以垂向運動為主導的構造體制；B.局部俯衝，向板塊構造過渡；C.現代板塊構造

研究成果發表於國際權威學術期刊GCA。（Mei Q F, Yang J H*, Wang Y F, et al. Tungstenisotopic constraints on homogenization of the Archean silicate Earth:Implications for the transition of tectonic regimes[J]. Geochimica etCosmochimica Acta, 2020, 278: 51-64.DOI: 10.1016/j.gca.2019.07.050）