最古老鋯石結晶自安山質熔體——板塊構造起始於冥古宙的證據?

2020-11-23 中科院地質地球所

NC：最古老鋯石結晶自安山質熔體——板塊構造起始於冥古宙的證據？

冥古宙是地質歷史上一個極為特殊的時期，它指的是地球形成初始的5.6億年（45.6-40億年間）。由於地球自形成以後經歷了強烈的隕石撞擊和後期地質構造運動，現今地球上已經很難找到冥古宙時期的巖石記錄（僅加拿大Acasta片麻巖一例，形成於40億年）。目前幾乎所有關於地球冥古宙時期演化的研究都基於一種特殊的副礦物——鋯石。鋯石是一種在中酸性巖漿巖和變質巖中廣泛存在的島狀矽酸鹽副礦物，它具有極為穩定的內部結構，可以在經歷多次變質和部分熔融作用後殘存。當地表巖石風化分解後，鋯石作為穩定碎屑存在於沉積巖中，從而保留有珍貴的早期地質歷史的記錄。

目前在全球範圍內的多處沉積巖中都發現有冥古宙鋯石，但其中最著名的是澳大利亞Jack Hills變質礫巖，這是因為，一方面該礫巖中最早發現了冥古宙鋯石且年齡最老（最高可達44億年）（Wilde et al., 2001），另一方面，該套沉積巖中大量產出古老鋯石，年齡範圍從44億年一直延續到33億年，為研究地質演化提供了連續記錄。然而碎屑鋯石的研究存在先天不足，其原始的寄主巖石已不復存在，如何通過這些古老的碎屑鋯石恢復其結晶時的巖漿成分和性質，從而探究冥古宙時地球的熱狀態是目前研究的難點和重點。

基於以上問題，澳大利亞Macquarie大學的Simon Turner教授及其合作者對Jack Hills碎屑鋯石開展了詳細的U-Pb年代學和微量元素分析，在此基礎上通過鋯石-熔體分配係數計算了母巖漿成分。該計算結果表明，Jack Hills的碎屑鋯石結晶自安山質熔體，其平均SiO2含量為59 ± 6 wt.%，Th/Nb比值為2.7 ± 1.9。這些地球化學特徵與大陸弧巖漿巖非常類似，顯著高于洋中脊玄武巖和洋島玄武巖（Th/Nb比值小於0.2）（圖1）。此外，這些碎屑鋯石的母巖漿成分在43-33億年期間並沒有表現出明顯的隨時間演化的趨勢，據此，作者提出現今板塊構造可能在冥古宙時已經存在（Turner et al., 2020）。

圖1 Jack Hills鋯石原巖成分隨時間演化關係圖（Turner et al., 2020）

值得指出的是，地球板塊構造起始於冥古宙並不是一種全新的觀點。早期基於鋯石Hf同位素和Ti溫度計的研究也得出過類似的結論（Harrison, 2009）。基於高場強元素和大離子親石元素在鋯石和熔體間的分配係數計算形成最古老地殼的熔體成分才是本文的一種全新嘗試。

但是該項研究還是非常初步的，仍有諸多未知因素影響著計算結果。前人基於理論計算、實驗分析和經驗校正等不同方法獲得的鋯石-熔體分配係數還存在極大差異（Padilla and Gualda, 2016），選擇不同的分配係數獲得的計算結果顯著不同。

此外，部分高場強元素和大離子親石元素在鋯石中的含量極低（如Nb、Ta和Sr等），該研究中所採取的分析方法精度較低，需要更高精度的分析技術（如SIMS和高分辨LA-ICPMS等）予以驗證。需要說明的是，目前並不清楚Nb、Ta和Sr等元素在鋯石中的封閉溫度。U-Pb同位素體系的封閉並不能確保這些指標性元素體系的封閉，這些冥古宙鋯石自形成以後漫長且複雜的演化歷史是否已經完全改變了初始的Nb、Ta和Sr等元素信息仍需要研究。更為重要的是，鋯石在中基性巖漿中是晚期結晶礦物，由此方法計算獲得的平衡熔體並不能代表原始巖漿，更可能反映的是鋯石飽和時的熔體成分特徵。

大數據統計分析揭示，基性巖漿只有在演化至中性成分時才會大量結晶出鋯石(Keller et al., 2015)，這可能才是導致所有碎屑鋯石（年齡跨度長達10億年）計算獲得的母巖漿都為安山質成分的主要原因。具有與現今大陸弧類似的地球化學特徵是否意味著全球板塊構造的存在則是另一個值得探討的邏輯推論。

總之，該研究為碎屑鋯石的研究開闢了一個新的方向，也為探究冥古宙地球熱狀態提供了新的視角，值得更多工作予以完善。

參考文獻

1.Harrison T M. The Hadean crust: evidence from> 4 Ga zircons[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2009, 37: 479-505.

2.Keller C B, Schoene B, Barboni M, et al. Volcanic–plutonic parity and the differentiation of the continental crust[J]. Nature, 2015, 523(7560): 301-307.

3.Padilla A J, Gualda G A R. Crystal-melt elemental partitioning in silicic magmatic systems: An example from the Peach Spring Tuff high-silica rhyolite, Southwest USA[J]. Chemical Geology, 2016, 440: 326-344.

4.Turner S, Wilde S, Worner G, et al. An andesitic source for Jack Hills zircon supports onset of plate tectonics in the Hadean[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1241.

5.Wilde S A, Valley J W, Peck W H, et al. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago[J]. Nature, 2001, 409(6817): 175-178.

（撰稿：王浩/巖石圈室）

美編：徐海潮

校對：陶 琴

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