再发《Nature》！南大团队揭示地球早期大陆地壳起源
南京大学地球科学与工程学院葛荣峰教授、朱文斌教授、王孝磊教授与澳大利亚科廷大学Simon Wilde教授合作，创建了锆石氧逸度-湿度计，并据此方法系统厘定了太古宙（25 – 40亿年前）花岗质岩石的岩浆氧逸度和水含量，发现其类似于现代岛弧岩浆，指示太古宙俯冲作用的存在。该成果对揭示早期大陆的起源、板块构造的启动、关键金属矿产资源的形成具有重要意义，以“Earth’s early continental crust formed from wet and oxidizing arc magmas”为题，国庆前夕在线发表于《Nature》期刊。
大陆地壳的形成塑造了地球的表面形态，影响了地球的内部成分和结构，造就了人类赖以生存的宜居地球和矿产资源。一般认为，现代大陆地壳的形成与板块俯冲引起的岛弧岩浆作用密切相关，然而，早期大陆地壳是否形成于类似俯冲的构造环境，还是其他特殊的构造体制，是地球科学领域悬而未决的难题。现代岛弧岩浆的特征是相对较高的氧逸度和水含量，但由于构成早期大陆地壳的太古宙岩石普遍遭受了后期变质作用的改造，其岩浆氧逸度和水含量缺乏可靠的制约手段。针对这一难题，该研究团队结合两种基于锆石微量元素的氧逸度计，创新性地提出了锆石氧逸度-湿度计，该方法可以根据锆石结晶时的氧逸度，计算平衡岩浆的水含量，准确度在1 wt%（wt%：重量百分比）以内（图1a）。
图1 （a）锆石氧逸度-湿度计的基本原理，以Bishop凝灰岩为例，插图中的线性关系显示该方法的准确性；（b）太古宙与显生宙岩浆氧逸度和水含量对比，其中红、黄、紫色为本文锆石氧逸度-湿度计结果。
在此基础上，该研究团队计算了全球主要克拉通太古宙内花岗质岩石的岩浆氧逸度和水含量，发现大多数太古宙花岗质岩浆的氧逸度比现代岛弧岩浆低（图1b），但由于太古宙地幔本身氧逸度较低，大多数太古宙花岗质岩浆的氧逸度相对于同期幔源岩浆仍有一个数量级的升高，这种差异类似于现代岛弧岩浆相对于洋脊玄武质岩浆的变化。研究还发现，大多数太古宙花岗质岩浆具有较高的水含量（6 – 10wt%）和H2O/Ce比值（大于1000），类似于现代岛弧岩浆，且岩浆氧逸度、水含量和H2O/Ce比值均与指示岩浆形成深度的地球化学指标具有良好的相关性（图2），指示大量的水被从地表运输至深部地壳和地幔。这些观察难以用非板块俯冲模型解释，而与大洋板片俯冲、脱水、熔融及其导致的岛弧岩浆作用相吻合，说明大量的液态水（大洋）和板块构造在早期大陆起源过程中起着至关重要的作用，这也是宜居地球的形成过程区别于其他类地行星的重要原因，这一过程也对许多关键金属矿产的形成具有重要控制作用。该研究还显示，在地球形成后约5亿年的始太古代（36 – 40亿年前），初始俯冲作用的启动导致花岗质岩浆的氧逸度和水含量发生了显著的升高（图3）。
图2 太古宙花岗质岩浆氧逸度和水含量与全岩地球化学指标的相关性，图例同图1
图3 始太古代（40 – 36亿年）花岗质岩浆氧逸度和水含量的升高指示俯冲启动，红色为太古宙花岗质岩石数据，白色方框为澳大利亚Jack Hills碎屑锆石数据
该项研究由南京大学和澳大利亚科廷大学合作完成，南京大学为第一完成单位，葛荣峰教授为论文的第一作者和通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金优秀青年基金项目、面上项目和杰出青年基金项目的资助。
论文链接（点击文末“阅读原文”可查看全文）：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06552-0
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来源：科技处 地球科学与工程学院
编辑：焦前程 谢立媛 刘淑君
审校：宗 和
责编：李烨婧