Nature Geoscience: 板块俯冲和TTG成因的Si同位素证据

大洋中脊岩浆喷发形成现代洋壳，并经板块构造运动俯冲进入地幔中。目前，地质学的热点问题之一是，地球是否起源于无板块构造体制，如果是，那么究竟是何时过渡到现今板块构造体制的。由于太古代岩石缺乏当下的类比物用于精确研究，这个问题始终难以解决。近期，法国Universitéde Paris, Institut de Physique du Globe de Paris机构的邓正宾博士及其合作者发现太古代花岗质岩石发育比显生宙花岗岩和埃达克岩更高的δ³⁰Si同位素组分，太古代海水处于Si饱和状态，因此洋底形成了独特的富含δ³⁰Si同位素的燧石沉积，并随洋壳俯冲及洋壳部分熔融而将重Si同位素带入地幔，并最终由太古代花岗质岩石所记录。

图1 温压图以及Si同位素对比图

图中展示了不同地质环境的地热梯度下含水拉斑玄武岩部分熔融的相平衡反应。右下图中黑色实线代表太古代幔源岩石，黑色虚线代表显生宙幔源岩石。

文中通过对比3.5-2.7 Ga科马提岩和3.98-2.79Ga TTG与显生宙地幔橄榄岩、I 型、A型花岗岩和埃达克岩的全岩δ³⁰Si组分发现，太古代科马提岩与显生宙地幔橄榄岩的全岩δ³⁰Si数值相近，暗示地幔Si同位素组分自~3.5 Ga以来基本没有发生改变；而TTG的全岩δ³⁰Si组分则明显高于显生宙I型和A型花岗岩，而仅略高于显生宙埃达克岩，表明TTG的岩浆源区应有高δ³⁰Si组分的贡献。此外，TTG岩石同样发育比榴辉岩融出的酸性岩浆更高的δ¹⁸O组分；而太古代洋底沉积燧石发育高δ³⁰Si和δ¹⁸O组分，由图2表明，含δ³⁰Si= -0.30‰和δ¹⁸O= +5.5‰的玄武质熔体，加入2.5-5.0%比例的沉积燧石（δ³⁰Si=-0.30‰和δ¹⁸O=+5.5‰），即可以解释TTG的Si和O同位素组成。

图2 Si-O同位素示意图

A-沉积燧石组分；B-未混染的玄武质源区；C-低温热液硅化的席状岩墙；D-高温热液硅化的辉长岩；E-杂砂岩、砂岩和浊积岩的平均组分；绿色方框代表埃达克岩；蓝色方框代表TTG岩石。 

这一发现也为TTG由来已久的的成因-构造机制争议提供了新的证据。太古代大面积发育钠质TTG，形成于深部（>50Km）含水镁铁质地壳的部分熔融，一部分学者将之解释为太古代高地热梯度下俯冲相关环境的产物，另一部分学者提出TTG是stagnant-lid环境，如加厚洋底高原底部的部分熔融产物。如前所述，TTG源区的玄武质岩浆被沉积燧石混染，暗示其有足够的时间与海水发生作用，因此可以排除TTG形成于stagnant-lid机制下洋底高原底部熔融的可能性。太古代中-高地热梯度下（40-100°C/kbar，约13-33°C/Km）俯冲洋壳更易直接发生部分熔融，文中数据进一步限制了俯冲洋壳极可能仅顶部（约几公里）的玄武岩和沉积燧石层发生了部分熔融，因为洋壳深部层位的δ³⁰Si和δ¹⁸O组分较低。 

综上，通过Si和O同位素证明，洋底沉积燧石随洋壳俯冲并发生熔融，共同贡献了太古代TTG源区，这表明太古代时期岩石圈水平运动（板块构造）至少已经局部开启，且最早可追溯到~40亿年前，而高地热梯度下洋壳俯冲机制为太古代长英质陆壳建造做出了巨大贡献。

论文信息：Zhengbin Deng, MarcChaussidon, Martin Guitreau, Igor S. Puchtel, Nicolar Dauphas and FrédéricMoynier. An oceanic subduction origin for Archean granitoids revealed bysilicon isotopes. Nature Geoscience, 2019: 774-778. 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41561-019-0407-6