太古宙花崗質巖石Si-O同位素對巖石成因和板塊構造的約束*

張晴 李獻華

板塊構造是地球有別于太陽系其他類地行星的重要標志之一,對行星的宜居性和生命的起源起著重要作用(Korenaga, 2012, 2013; Miyazaki and Korenaga, 2022),因此板塊構造的起源一直是地質學核心科學問題之一。由于長期的地質改造活動,早期地質記錄保存下來的非常有限,導致目前對板塊構造起始時間仍然存在很多爭論,其爭議的時間范圍介于約44到10億年前之間(4.4～1.0Ga; Korenaga, 2021; Palinetal., 2020; Stern, 2018; Tardunoetal., 2023; Windleyetal., 2021)。比如部分學者通過對澳大利亞西部Jack Hills碎屑鋯石同位素及微量元素分析認為4.4Ga就已經有板塊構造活動(Harrison, 2009; Turneretal., 2020),近期的地球動力學模擬結果也認為在冥古宙地球就已經有著頻繁快速的板塊活動(Korenaga, 2021; Miyazaki and Korenaga, 2022);而另一部分學者則認為由于在1.0Ga之前缺失大規模超高壓變質地體和蛇綠巖等,因此在此之前地球是單一滯留蓋層模式(stagnant-lid)(Stern, 2005, 2020)。

表殼物質循環通常指表殼物質通過板塊俯沖或其他機制,進入地球深部經過熔融在新的巖漿活動過程中重新就位的過程,也是板塊構造的典型特征之一。表殼物質循環的最有效的方式是板塊俯沖模式,但僅通過表殼物質循環的出現并不能證明板塊構造活動的發生,因為緩慢活動蓋層模式(sluggish-lid)或者局部的俯沖也可以導致表殼物質再循環(Johnsonetal., 2014; Sizovaetal., 2015)。但是表殼物質循環可以區分兩個端元構造機制:滯留蓋層(stagnant-lid)和活動板塊(mobile-lid)。因此在地球早期保留地質證據有限的條件下,通過地球化學指標來探討表殼物質循環成為了重要的切入點。比如O同位素是反映地表物質循環的有力指標,在地球科學中得到了廣泛的應用(Valley, 2003)。然而,任何單一的同位素變化特征可能由不同的機制引起,因此單一的同位素系統可能存在多解性。例如,地球上已知最古老的4.0Ga Acasta片麻巖中的鋯石具有低氧同位素特征(Reiminketal., 2014),它既可以通過鐵質貧水巖漿結晶分異形成(Gaoetal., 2018; Grimesetal., 2011),也可以是由于與地表水高溫水巖相互作用的結果(Zhangetal., 2023)。因此需要結合其他指標共同探討可能的巖石成因和動力學過程。

1 Si同位素:一個重要的表殼物質循環示蹤劑

近年來隨著分析技術的提升,花崗質巖石的Si同位素組成特征作為重要的表殼物質循環指標逐漸被引起重視。硅作為地球上第二大豐度元素在自然界有3種穩定同位素28Si(92.23%)、29Si(4.68%)、30Si(3.09%)(Rosman and Taylor, 1998),其同位素特征通常是相對于一個標樣(比如NBS28)的比值,用δ30Si=[(δ30Si/δ29Sisample)/(δ30Si/δ29SiNBS28)-1]×1000來表示(Poitrasson, 2017)。Si因為沒有氧化還原反應,其同位素在自然界中的變化范圍相對O同位素(～90‰)較小(圖1; Hoefs, 2015),其中在低溫過程中,輕Si同位素更容易保存在風化產物比如粘土礦物中或者富集在沉積物中,而重Si同位素更容易呈溶解態/被溶解(Basile-Doelsch, 2006; Douthitt, 1982; Savageetal., 2013),因此現代海水平均δ30Si比硅酸鹽地球(BES)平均值略高 (圖1)。而這些具有輕Si同位素特征的地表風化產物/沉積物被重熔后形成的S型花崗巖也同樣出現相對輕Si同位素的特征(Poitrasson and Zambardi, 2015)。在高溫巖漿作用過程中,部分熔融和結晶分異過程對Si同位素分餾的影響非常有限,因此巖漿巖Si同位素整體變化范圍非常小(圖1)(Savageetal., 2011, 2014),但隨著巖漿的分異演化,在部分熔融和結晶分異過程中,Si同位素組成隨著SiO2含量呈現出一個線性相關關系δ30Siwr(‰)=0.0056×SiO2(%)-0.567,被稱為火成巖演化序列(Igneous Array)(圖2; Savageetal., 2012)。在對應的演化線之上通常被認為富集重Si同位素,在演化線之下則為富集輕Si同位素(比如S型花崗巖)。

Si同位素很早就被應用于地球早期燧石條帶/條帶狀鐵建造(BIF),來研究海水溫度變化等(Douthitt, 1982; Robert and Chaussidon, 2006; Siever, 1992), 且被認為可能不適合應用于巖漿巖(Douthitt, 1982)。隨著分析技術的提升,近年來開始有較多的研究將Si同位素視為示蹤表殼物質循環的重要指標 (Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019; Trailetal., 2018; Zhangetal., 2023)。海水中Si的儲庫主要由兩方面決定:(1)地球早期巖漿活動劇烈,海底噴出的大量的高溫熱液輸入;(2)低溫沉積過程以及大量生物有機體的獲取等方式輸出(Andréetal., 2006)。而在太古宙,因為大規模生物有機體的缺乏(Conleyetal., 2017; Siever, 1992),導致海水中Si的輸入量大于輸出量,整體呈Si飽和狀態,比現代海水更富集重Si同位素,硅化的玄武質洋殼同樣呈現重Si同位素特征(Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019),因此Si同位素信號可用于示蹤太古宙巖漿巖巖石成因和推斷其可能的動力學過程。

圖1 Si同位素在地表樣品中的變化(據Poitrasson, 2017修改)Fig.1 Range of Si isotope compositions in various types of terrestrial samples (modified after Poitrasson, 2017)

相對于Si同位素,O同位素在對高溫和低溫水巖過程均有較明顯的分餾(Hoefs, 2015),已經在固體地球研究過程中被廣泛應用(Valley, 2003),尤其是在示蹤地表物質(比如地表水)再循環方面。O和Si同位素雖然均可以指示地表物質的加入,但是具體指示的物質源區是不同的,比如脫硅化物質(泥質巖)和硅化物質(硅化洋殼)的加入均可以導致后期巖漿巖表現出高O同位素特征,但是其Si同位素信號是完全相反的(圖3)。據此Trailetal.(2018) 提出了Si-O同位素約束下的巖漿物質來源的三個不同路徑:(1)化學風化(去硅化);(2)水化(無去硅和無硅加入);(3)硅化(圖3),因此Si和O同位素的綜合分析可以更好地約束巖石成因和可能的動力學過程。

2 Si-O同位素在太古宙花崗質巖石中的應用

太古宙陸殼主要由一套富Na的花崗質巖石組成,包括奧長花崗巖(Tonalite)-英云閃長巖(Trondhjemite)-花崗閃長巖(Granodiorite)(TTG),是地球早期地殼的重要組成部分(Martinetal., 2005; Moyen and Martin, 2012)。目前多數學者一致認為TTG是含水玄武質巖石在不同壓力條件下部分熔融的產物,但是其具體的成因和形成的構造環境還存在較大爭議。為進一步理解地球早期巖漿過程和構造環境,Si同位素或Si-O同位素體系在TTG的應用近年來也逐漸引起廣泛關注(Leietal., 2023a, b; Trailetal., 2018; Zhangetal., 2023)。

一部分學者主要采用微區原位分析方法,比如Trailetal.(2018)應用離子探針(CAMECA SIMS)對顯生宙已知構造背景的巖漿巖的鋯石進行Si-O同位素分析,通過對比其巖石成因,提出了巖漿過程中常見的三種物質來源(圖3);又進一步分析了澳大利亞西部的Jack Hills碎屑鋯石(3.3～4.2Ga),并認為盡管大于4.0Ga的鋯石多數呈現出地幔Si值特征,但是特征值分布相對分散,可能代表這些冥古宙鋯石原巖的巖漿源區并非是單一的基性巖,可能有化學沉積物和硅化洋殼的加入。但由于該項先驅工作的微區Si同位素分析誤差較大(2se=0.32),而巖漿巖Si同位素分餾很小(圖2),其潛在的變化規律有可能被較大的誤差掩蓋了,因此該部分數據本文后續暫不做進一步討論。

另外一部分學者主要通過溶液法分析了太古宙TTG的石英和全巖的Si同位素(Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019),一致認為太古宙TTG均記錄了重Si同位素的信號,但是這些研究并沒有系統分析地球上已知最古老的巖石——來自加拿大西北部地區的4.0Ga的Acasta TTG。另外由于多數太古宙TTG都經歷了強烈變質變形,這些研究并沒有提供直接的證據能夠證明石英/全巖檢測到的Si同位素組成能夠代表其原始特征。雖然以往的研究報道了Si同位素具有較強的抗次生變質作用特征,比如Andréetal.(2006)通過分析一個英云閃長巖樣品中的BIF包體,發現BIF的低Si同位素組成沒有被寄主巖英云閃長片麻巖的高Si同位素組成所改造,因此認為BIF的Si同位素在被高溫巖漿捕獲過程中沒有被改造。但是這些并不能夠直接證明TTG中重結晶的石英在變質過程中Si同位素是否處于封閉體系。

圖2 Acasta TTG全巖δ30Si相對于SiO2含量的變化火成巖演化序列據Savage et al. (2011). S型花崗巖區據Savage et al. (2014), Poitrasson and Zambardi (2015) 和Poitrasson (2017);Acasta Si同位素數據來自Zhang et al. (2023)Fig.2 Whole rock δ30Si vs. SiO2 of Acasta TTGIgneous Array after Savage et al. (2011). The S-type granite field is based on Savage et al. (2014), Poitrasson and Zambardi (2015), and Poitrasson (2017); Acasta Si isotope data from Zhang et al. (2023)

表1 微區原位分析的誤差對比

圖3 Si-O同位素圖(路徑據Trail et al., 2018)Jack Hills數據來自Trail et al. (2018). Acasta數據來自Zhang et al. (2023). 實線代表地幔同位素值,虛線代表各自的誤差值. 地幔鋯石Si和O同位素的值分別來自Trail et al. (2018)和Valley (2003)Fig.3 Si vs. O isotope covariation (after Trail et al., 2018)Jack Hills zircon data from Trail et al. (2018). The Acasta isotope data from Zhang et al. (2023). The solid lines represent isotopic values for mantle zircon and the dashed lines are corresponding errors. Mantle zircon Si and O isotope values after Trail et al. (2018) and Valley (2003), respectively

圖4 鋯石、石英和全巖Si同位素評估流程圖Fig.4 Evaluation of zircon, quartz, and whole rock Si isotopes

近年來Si同位素微區分析精度有了很大提升(表1),例如離子探針(SIMS)鋯石Si同位素微區分析的內部精度可以達到0.07(2se)(Liuetal., 2022)。最近Zhangetal.(2023)應用超高精度鋯石和石英Si同位素微區分析方法,對加拿大西北地區Acasta TTG(4.0～3.5Ga)進行了分析研究,揭示了該套巖體在～3.8Ga時出現了Si同位素組成的“突變”(圖2)。Leietal.(2023a, b)也充分應用Si-O同位素聯合示蹤,對南非Barberton地區的3.5～3.2Ga TTG,以及華北地區的2.9～2.5Ga TTG巖石成因及構造背景提供了進一步的約束。

總之,近年來隨著不同分析方法分析精度的提高,Si同位素在TTG中的應用逐漸引起了眾多學者的興趣,但是在進行地質過程之前仍需進一步仔細評估所獲得的數據是否能夠代表原始信號。

3 Si同位素信號評估

3.1 鋯石Si同位素

鋯石作為中酸性巖漿巖中常見的副礦物也是最常用的一種定年礦物,具有較強的抗蝕變和抗高溫高壓變質等次生作用的能力。依據鋯石中元素的相對擴散速率(DTh, U?DSi?DPb)(Cherniak, 2008; Cherniak and Watson, 2001),可以通過鋯石U-Pb體系約束Si同位素的封閉性,即如果鋯石U-Pb年齡是諧和的,則鋯石Si同位素很有可能也是封閉的?？紤]到太古宙鋯石結構和成分的復雜性,相比較于溶液法,應用高精度的微區原位分析方法來探討鋯石Si同位素組成更為適合。Zhangetal.(2023)提出在分析太古宙TTG的同位素特征時,首先要對鋯石進行顯微圖像、U-Th-Pb定年、激光拉曼等原位分析,然后依據鋯石Si同位素的5個主要篩選標準過濾掉噪音數據(圖4)。其中篩選標準主要包括:(1)Si同位素的分析點位要保證其具有諧和的鋯石U-Pb年齡(不諧和度值小于10%);(2)鋯石結晶程度較好(可用激光拉曼等方法檢驗);(3)Si同位素分析的產率要和同批次的鋯石標樣相當;(4)避開裂縫(年齡分析完拋光后,在分析Si同位素前后需要重新檢測);(5)誤差相對較大的建議排除。另外,鋯石U和Th含量相對與結晶完好的鋯石出現異常時也需要注意排查,但通常在排查完以上5點時,最后U、Th異常的分析點已經被刪除,為精簡篩選流程,該條標準有時可不單獨列出。

依據以上標準,Zhangetal.(2023)對Acasta TTG的鋯石Si同位素進行了篩選,與最具代表性的鋯石顆粒(相對結晶度最好的)相比,受一個或多個上述因素影響時絕大多數(約84%)的分析點呈現相對低的Si同位素特征(圖3、圖5)。最終篩選后的數據通常被認為可以代表這些樣品的原始Si同位素組成,并在最具代表性的鋯石Si同位素數據基礎上,可以對石英和全巖的Si同位素信號進行評估。

3.2 石英Si同位素

由于多數太古宙TTG經歷了角閃巖相以上的變質作用,石英顆粒呈現為重結晶態。盡管石英成分和結構相對簡單,比鋯石更容易分析,在進一步地質意義解釋之前,仍需要檢驗這些石英Si同位素系統是否在變質過程中保持了封閉狀態,是否可以代表原始Si信號。在篩選后的鋯石Si同位素基礎上,通過Si在鋯石和石英間的分餾關系可以計算其對應的Si同位素平衡溫度(TSi),再對比依據O同位素在兩礦物之間的分餾計算出的O同位素平衡溫度(TO),鋯飽和溫度(Tzrc),和/或鋯石Ti溫度計(圖4)。如果這些溫度是統一的,那石英的Si以及O同位素則很有可能代表其原始組成,如果不一致則表示部分元素/同位素可能在變質作用等過程中被改造了,其結果不能反映巖石形成時的組成。

對于TSi和TO的計算,目前主要有實驗計算公式Δ30Si(qtz-zrc)=(0.53±0.14)×106/T2(Trailetal., 2019),Δ18O(qtz-zrc)=(2.33±0.24)×106/T2(Trailetal., 2009),第一性原理計算公式Δ30Si(qtz-zrc)=0.40082x-0.02547x2+0.00165x3,Δ18O(qtz-zrc)=2.68221x-0.19012x2+0.01147x3(x=106/T2; Qinetal., 2016),以及經驗公式Δ18O(qtz-zrc)=2.64×106/T2(Valleyetal., 2003)等。Zhangetal.(2023)通過對成分相對均一的標樣qinghu鋯石和石英的Si和O同位素進行檢驗,發現理論計算(第一性原理)的分餾溫度(TSi和TO)與鋯石Ti溫度更為一致(圖6a),應用該公式對Acasta的鋯石和石英Si和O同位素數據進行了檢驗,發現TSi與鋯飽和溫度以及TTi溫度都較為一致,所以Acasta TTG中的石英Si同位素可能也代表了原始的Si信號;但是TO溫度明顯較低,指示了TTG中的石英O同位素信號在變質作用過程中已經被改造(圖6b)。因此,在篩選鋯石Si同位素數據的基礎上,檢驗TTG中石英的Si和O同位素是否能夠代表其原始組成不僅是可行的,而且是必要的。

3.3 全巖Si同位素

盡管對鋯石和石英的Si同位素已經進行了評估,但由于長石作為TTG的另外一種主要造巖礦物,其抗風化能力相對較弱,其次生過程有可能會影響全巖的Si同位素變化,因此全巖的Si同位素是否能代表原始信號仍不確定。Si同位素在鋯石/石英與全巖間的分餾主要取決于結晶溫度和熔體的SiO2含量,該分餾系數也同樣有實驗(Trailetal., 2019)和理論計算公式(Qinetal., 2016)。為保持和之前石英評估標準的一致性,建議同樣采用第一性原理公式來計算全巖與石英/鋯石之間的分餾。依據之前篩選后的鋯石和石英Si同位素數據和測得的全巖Si同位素,可以得出測試的分餾參數ΔSimeasured(zrc-wr)和ΔSimeasured(qtz-wr),再對比理論計算數據(圖4),如果在誤差范圍內保持一致則認為全巖Si同位素能夠代表原始信號,否則則說明全巖Si同位素體系可能收到了后期改造的干擾。Zhangetal.(2023)將其測試值與理論計算結果進行了比較,發現除了少數樣品的測量值較低外,大部分測量值與理論計算結果一致,因此認為Acasta TTG樣品全巖Si同位素數據顯示出與石英和鋯石一致的Si同位素特征,個別樣品全巖Si同位素特征偏低,可能是由于長石蝕變或變質作用所致,該部分樣品則不能用于巖石成因和構造環境的解釋。因此,在進行地質解釋之前,有必要根據過濾后的鋯石和/或石英Si同位素數據對全巖Si同位素組成是否保持封閉體系(代表巖漿組成)進行評估。

圖5 鋯石的次生改造對Si同位素的影響其中最具代表性的樣品數據分析誤差平均為0.06(2se),Si同位素受弱干擾的樣品平均分析誤差為0.07(2se),“噪音”數據誤差范圍為0.05～0.36(2se). Acasta TTG的鋯石數據來自Zhang et al. (2023)Fig.5 Effects of secondary processes on zircon Si isotopesAverage analytical errors of the most representative samples and samples with weak Si mobilization are 0.06 and 0.07 (2se), respectively, and the analytical errors of the noise data are 0.05～0.36 (2se). Acasta TTG zircon data from Zhang et al. (2023)

4 全球數據庫及其啟示

4.1 Si-O同位素數據

依據現有的太古宙TTG的Si同位素數據資料,Si同位素組成(δ30Si)在～3.8Ga時開始明顯升高,而～4.0Ga TTG的δ30Si與Igneous Array相當,表明3.8Ga可能是表殼物質再循環的開始時間(圖7a)。其中Acasta TTG配對的O同位素與Si同位素變化規律一致,δ18O和δ30Si在～3.8Ga同時升高(圖3)。Reiminketal.(2014)基于Acasta TTG的鋯石CL圖像和年齡分析結果,認為在4.0Ga有兩期鋯石,盡管年齡上難以區分,但是依據生長的環帶可以區分,并且報道了第一階段鋯石具有地幔δ18O值,第二階段δ18O則相對較低,認為第二階段鋯石生長過程中可能有表殼水的加入發生了高溫水巖反應。然而在4.0Ga時的海水呈Si飽和狀態,富集重Si同位素(Andréetal., 2019),如果有海水的加入則應該有重Si同位素信號的出現。Zhangetal.(2023)也報道了4.0Ga鋯石有低O同位素特征,但并未在4.0Ga鋯石上檢測到重Si信號,因此提出這些低δ18O特征可能是由于鐵質貧水巖漿結晶分異形成的,因為富鐵花崗質巖漿的結晶分異有可能會導致δ18O降低～0.5‰(Gaoetal., 2018; Grimesetal., 2011)。因此,基于目前配對的Si-O同位素數據,～4.0Ga的Acasta TTG中并沒有表殼物質再循環的信號。

盡管全球太古宙TTG的Si同位素數據以及～4.0Ga的Acasta TTG配對的Si-O同位素數據均支持在～3.8Ga出現了表殼物質的再循環,但是全球規模的O同位素數據在3.8Ga并沒有明顯轉折(圖7b, c)。Wangetal.(2022)報道了鋯石O同位素在3.2Ga有一次顯著升高,另外一個顯著變化是在～2.5Ga,最先由Valley (2003)提出,在近些年更新的數據庫中2.5Ga仍然是一個O同位素顯著升高點(Spenceretal., 2017)。這些轉折點在當前的Si同位素數據集中并沒有觀察到相應的變化。一方面可能是目前全球Si同位素數據量還不夠大,潛在的變化還沒有被發現,另一方面“解耦”現象可能代表了它原始的特征,也可能是樣品分析偏差或者是分析技術引起的。Leietal.(2023a)最近也提出了Barberton 3.45～3.23Ga TTG的Si-O同位素出現了“解耦”,可能是既有表殼硅化物質的加入,也有后期科馬提巖流體加入的影響。其他時間節點的“解耦”成因目前還是未知,因此仍需要更多和更精準配套的太古宙TTG樣品的Si-O同位素數據,以進一步理解地球巖石成因和對應的構造環境。

雖然目前整個太古宙配對的Si-O同位素數據還存在很大的不確定性,但是Acasta片麻巖的Si-O同位素在經過系統評估后在～3.8Ga出現轉折是清楚的(Zhangetal., 2023)。這個轉折也與其他同位素等地球化學指標(比如Ti和Hf同位素)、地質觀察以及其他相關的事件(比如風化過程的開始)的時間相一致(表2)。此外,Geetal.(2023)近期報道的巖漿氧逸度和水含量變化也出現在該時期。因此,～3.8Ga時期不僅指示了表殼物質循環的開始,也有可能指示了構造環境的轉換。

4.2 Ge/Si比值和Si同位素

為了更全面的綜合應用Si同位素,近期有學者提出Si同位素應該結合Ge/Si比值共同約束地球早期的巖漿過程(Andréetal., 2022)。Ge幾乎可以完全替代硅酸巖晶格中的Si,這導致大多數硅酸巖中的Ge/Si比值變化很有限(1.5～3.0μmol/mol),并且在部分熔融和巖漿分異過程中的變化也非常小(de Argollo and Schilling, 1978)。而根據Ge和Si在不同硅酸巖中的相容性不同(Heetal., 2019),以及 Ge(OH)4(aq)和 Si(OH)4(aq)的生成焓和熱容的不同會導致Ge/Si隨溫度變化較大,比如在低溫流體和硅酸巖(粘土、蛋白石等)中會有較大的Ge/Si分餾(Andréetal., 2022; Pokrovski and Schott, 1998),這使得Ge/Si成為示蹤表殼流體的一個潛在的重要指標。因此 Andréetal.(2022)建議將Ge-Si體系結合Si同位素共同應用于巖漿巖的研究中,可以為判斷巖石成因和地球早期構造環境提供更多有效的證據。

圖6 石英Si同位素數據評估(a)不同方法計算的標樣Qinghu平衡溫度對比圖. 依據不同計算方法對比Qinghu Si和O同位素在石英和鋯石之間的平衡溫度以及鋯石Ti溫度. Qinghu鋯石和石英Si同位素數據來自Liu et al. (2022),Qinghu鋯石和石英O同位素數據分別來自Li et al. (2013)和Tang et al. (2020),Qinghu 的鋯石Ti溫度來自Li et al. (2013);(b)Acasta TTG樣品Si和O同位素平衡溫度以及鋯飽和溫度對比圖. Acasta同位素數據來自Zhang et al. (2023). 鋯飽和溫度的計算據Boehnke et al. (2013)和Watson and Harrison (1983)Fig.6 Evaluation of quartz Si isotope data(a) the comparison of Qinghu Si and O isotope equilibrium temperatures calculated using different formulas. Qinghu zircon and quartz Si isotope data from Liu et al. (2022). Qinghu zircon and quartz O isotope data from Li et al. (2013) and Tang et al. (2020), respectively. Qinghu Ti temperature after Li et al. (2013); (b) the comparison of Acasta TTG Si and O isotope equilibrium temperatures and zircon saturation temperatures. The Acasta TTG isotope data from Zhang et al. (2023). Zircon saturation temperatures were calculated after the formulas by Boehnke et al. (2013) and Watson and Harrison (1983)

表2 近些年發表的在3.8～3.7Ga的其他地球化學數據和地質觀察

Andréetal.(2022)通過對GEOROC數據庫中各種巖石類型的太古宙樣品Ge/Si比值進行整理,指出硅化洋殼(上部洋殼)的Ge/Si比值高于非硅化洋殼(下部洋殼),并報道了太古宙TTG的平均Ge/Si比值為1.15μmol/mol。結合太古宙地殼Si同位素特征,硅化地殼具有低Ge/Si和重Si同位素特征,非硅化地殼具有高Ge/Si和相對輕Si同位素特征?！?.0Ga的Acasta TTG具有高Ge/Si比和較輕的Si同位素特征,而較年輕的Acasta(3.7～3.6Ga)和Baberton(3.5～3.1Ga)TTG具有較低的Ge/Si比和較重的Si同位素特征(圖8; Andréetal., 2022; Zhangetal., 2023),同樣指示了3.7Ga左右是一個轉折點,記錄了巖漿源區開始有硅化洋殼加入的過程。

盡管當前的數據庫依然不能證明是否在3.7～3.8Ga開始了板塊俯沖,但是在該時期開始明顯有表殼物質的加入,可能指示了構造環境的轉換。

4.3 未來研究方向

(1)更高精度的同位素約束:目前太古宙TTG的Si-O同位素指示的變化在3.8Ga左右,其范圍可能是3.7～3.9Ga。但是由于整體在3.8Ga左右的數據非常少,而3.8Ga的樣品目前在格陵蘭地區和中國鞍山地區都有完好的保存,因此這些地區的樣品可能會對轉折點的時間上提供精準的約束。另外由于之前澳大利亞西部Jack Hills碎屑鋯石的分析誤差較大,未來通過更高精度的原位分析,可以更加完善地球早期構造環境的約束。

圖7 太古宙TTG Si同位素與全球O同位素分布圖

圖8 太古宙TTG的全巖Si同位素與Ge/Si對比圖橫向實線代表SiO2含量在60%～70%的樣品對應在Igneous Array的δ30Si值,淺黃色區域代表其誤差范圍。Acasta和Barberton樣品分析誤差分別為0.03～0.08和0.02～0.07(2sd). Acasta數據來自Zhang et al. (2023),Barberton數據來自André et al. (2022). 為了和Barberton的數據保持一致,Acasta全巖Si同位素數據是從其石英Si同位素換算而來,計算過程在Zhang et al. (2023)中有詳細表述Fig.8 Whole rock Si isotope data versus Ge/Si ratios of the Archean TTGsHorizontal solid lines represent the δ30Si values of samples with SiO2 of 60%～70% on the Igneous Array. Analytical errors of the Acasta and Barberton samples are 0.03～0.08 and 0.02～0.07 (2sd), respectively. The Acasta data from Zhang et al. (2023) and Barberton data from André et al. (2022). The Acasta whole rock Si isotope data were calculated from quartz Si isotope data to keep consistency with the Barberton data

(2)配套的多元同位素體系聯合示蹤:目前配對的Si-O同位素分析數據非常有限,就當前的數據庫來看,部分時間段的Si和O同位素出現了“解耦”現象,該現象是否代表了其真實的信號還需要進一步檢驗,以更好的約束整個太古宙TTG巖石成因和動力學過程。除配對的Si-O同位素之外,其他配套的同位素示蹤體系還有待進一步研究。

5 結論

(1)在地球早期由于缺乏大量生物導致海水處于Si飽和的狀態,硅化的地殼具有富集重Si同位素的特征,這使得Si同位素成為了研究地球早期表殼物質循環的重要示蹤指標。配對的Si-O同位素及Ge/Si比值等其他指標均可為地球早期構造環境研究提供重要約束,但是在提取Si同位素信息時需要特別注意分析結果其是否能夠代表原始的組成信息。

(2)目前的數據僅僅能證明表殼物質循環至少起始于3.8Ga,盡管這還不能直接約束板塊構造的起始;但目前這些數據至少能夠說明在～3.8Ga之前存在某種機制將表殼物質輸送回地球內部,暗示在3.8Ga可能發生了構造機制的轉化。但這也并不排除未來的研究,比如更高精度的Jack Hill碎屑鋯石的Si同位素分析可能會帶來新的認識。

致謝感謝王孝磊和王強教授對本項工作的評審,感謝夏小平和葛榮峰教授對本文提出寶貴的修改意見,感謝雷凱分享華北TTG的Si同位素數據。