NatG：地球最早期大陆壳的形成类似于冰岛

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迄今为止，大于36亿年的岩石和矿物非常稀少，所以我们对地球早期演化历史的了解也极其有限。与其他一些相对年轻的克拉通相似，44-40亿年的西澳地区以及其他含有古老岩石的克拉通也主要以TTG岩石为主，它们代表了大陆壳的生长。这些TTG岩石以富钠，高的Sr/Y比值和强烈亏损重稀土以及轻微或无Eu异常为特征，这些特征通常被认为是高压条件下在石榴子石稳定区内含水的玄武质岩石部分熔融形成的。目前已有两个模型来解释太古宙TTGs以及早期大陆壳的形成，即俯冲的大洋板片的部分熔融以及大洋高原底部的部分熔融。尽管目前对于TTG已进行了大量的研究，但是对于地球最早期的硅铝质地壳的性质和成因及其和大陆壳的形成之间的关系方面了解的很少。

加拿大西北部的Acasta Gneiss Complex (AGC)地区出露有最古老的岩石，在该地区已发现具有多期变形的花岗岩-英云闪长岩，其锆石结晶年龄为4.03-3.40Ga，并且局部存在更加古老的锆石捕虏晶（4.2Ga）。但是由于该地区不同组分岩石呈非常细小的互层出现，因此要测定这些古老岩石的各个组分的全岩地球化学特征则是非常困难的。而且超过4.0Ga的岩石非常稀少，出露的最多的是相对比较年轻的岩石（3.8-3.6Ga）。最近加拿大Alberta大学Reimink课题组通过详细的填图发现了保存比较完整的英云闪长质片麻岩，其锆石年龄为4.02Ga，他们将其命名为Idiwhaa英云闪长质片麻岩（ITG）。为了研究其成因，他们对此进行了全岩的主要元素和微量元素分析以及锆石U-Pb年代学和SIMS锆石氧同位素和微量元素分析。

该ITG由相对均匀的镁铁质英云闪长岩以及少量的淡色细脉组成，其矿物组成为：斜长石、石英角闪石。黑云母和少量的石榴子石。全岩的SiO ₂ 为57.9-66.9wt.%，而Al ₂ O ₃ 含量相对较低(13.8-14.1wt.%)，全FeO含量相对较高(8.6-15.2wt.%)，Mg#则非常低(13-18)。其中高的全FeO含量和低的Mg#与太古宙TTG的特征明显不同，并指示了岩浆向富铁方向演化的趋势。一般认为，具有这种这些地球化学特征的岩石是由贫水的玄武质岩浆在高位岩浆房内相对还原条件下发生了以斜长石为主（伴有少量单斜辉石和橄榄石）的分离结晶作用的结果。不仅如此，ITG的全岩微量元素也和太古宙TTG具有明显的不同，其稀土配分模式显示出轻、重稀土没有明显的分馏，因此指示了石榴子石没有在岩浆形成过程中起到重要作用，起作用的主要是斜长石。另外，其高场强元素Zr和Hf的含量也较太古宙TTG要高。

由于AGC地区经历了多期次的岩浆作用，所以有必要讨论其全岩的化学成分是否能够反映其原始特征。在这一点上锆石具有明显的优势。研究发现，有一个样品（TC-3）的锆石保存完好，主要由岩浆锆石组成，边部有变质成因的生长带（图1a, b）。其中岩浆锆石由无分带的核（(Phase I)和振荡环带的幔（(Phase II)组成，边部变质成因的锆石为重结晶成因或变质作用新生长的锆石(Phases III 和IV)。Phase I和II 的岩浆锆石具有典型的岩浆锆石稀土配分模式，其U-Pb年龄均为4.02Gyr。值得注意的是，利用锆石-熔体平衡计算的全岩稀土配分模式和ITG完全一致，说明ITG中的岩浆锆石和熔体平衡，因而其年龄代表了其结晶年龄，并且全岩的微量元素成分可以用来指示岩石成因。

虽然Phase I和II 的锆石在年龄上一致，但是其 ¹⁸ O _VSMOW 值则有0.8‰的差值: Phase I 锆石其 ¹⁸ OVSMOW 平均值为+5.6±0.7‰，Phase II的平均值为+4.7±0.6‰。前者指示了幔源岩浆成因，而后者则指示了有地壳物质的混染或者是具有低 ¹⁸ O 的熔体混合。ITG中的晚期变质锆石(Phases III和IV) 的 ¹⁸ O _VSMOW 值在6‰以上（图2c），说明其和高 ¹⁸ O的变质流体平衡。这一点也得到其具有更高的正Ce异常特征的支持，因为高的正Ce异常反映了高的氧化条件，而混染物往往具有氧化性质。

图1 a, b）TC-3中的代表性锆石的CL图，图中表示出了phase I, II, III和IV；c） 不同锆石相（phase）的 ¹⁸ O - ²⁰⁷ Pb/ ²⁰⁶ Pb图解.

虽然ITG的地球化学特征有别于晚太古代的TTG以及许多现代地球的火成岩，但是和冰岛的中性岩石基本一致，尤其是那些被称为冰岛岩的岩石（～60 wt.% SiO ₂ , 低Al ₂ O ₃ , 高 FeO, 和低Mg#）。不仅如此，其微量元素特征也极为相似，均表现为负Eu异常，轻、重稀土的轻度分馏以及高的高场强元素。冰岛岩一般被认为是由玄武质岩浆的低压分离结晶作用、镁铁质岩浆和硅质岩浆的混合作用以及热液蚀变成因的低 ¹⁸ O 地壳混染联合作用的产物。因此，低 ¹⁸ O的岩浆岩非常稀少，并且都出现在裂谷或者地幔柱的背景中。因此，作者认为，4.02Ga的ITG是由玄武质岩浆在高位岩浆房分离结晶作用并伴有热液蚀变的地壳混染作用形成的。这样的过程有点类似于现代地球中的地幔上隆带，如地幔柱、裂谷和大洋中脊。但是，这些背景中产生的岩浆岩的酸性岩比例非常低。然而，冰岛地区在大西洋脊和地幔柱共同作用下，其产生的洋壳厚度明显高于一般的大洋中脊和大洋高原，而几乎接近于大陆壳的厚度，而且地壳中有相当比例的中酸性岩石（～25%）。因此，ITG岩石的形成很可能类似于冰岛（图2）。但是值得注意的是，由于地球～4.0Ga时，具有高的热流值，所以ITG岩石的形成实际上可能不需要像冰岛那样存在地幔柱和大洋中脊的共同作用。

图 2  Idiwhaa英云闪长质片麻岩（ITG）形成过程的卡通图.

该项研究发表于国际自然科学领域顶级期刊 Nature Geoscience 上：Reimink, J.R., Chacko, T., Stern, R.A. and Heaman, L.M. Earth’s earliest evolved crust generated in an Iceland-like setting. Nature Geoscience , 7:529-533. （译文：张招崇/地球科学与资源学院）