太古宙花岗质岩石Si-O同位素对岩石成因和板块构造的约束*

张晴 李献华

板块构造是地球有别于太阳系其他类地行星的重要标志之一,对行星的宜居性和生命的起源起着重要作用(Korenaga, 2012, 2013; Miyazaki and Korenaga, 2022),因此板块构造的起源一直是地质学核心科学问题之一。由于长期的地质改造活动,早期地质记录保存下来的非常有限,导致目前对板块构造起始时间仍然存在很多争论,其争议的时间范围介于约44到10亿年前之间(4.4～1.0Ga; Korenaga, 2021; Palinetal., 2020; Stern, 2018; Tardunoetal., 2023; Windleyetal., 2021)。比如部分学者通过对澳大利亚西部Jack Hills碎屑锆石同位素及微量元素分析认为4.4Ga就已经有板块构造活动(Harrison, 2009; Turneretal., 2020),近期的地球动力学模拟结果也认为在冥古宙地球就已经有着频繁快速的板块活动(Korenaga, 2021; Miyazaki and Korenaga, 2022);而另一部分学者则认为由于在1.0Ga之前缺失大规模超高压变质地体和蛇绿岩等,因此在此之前地球是单一滞留盖层模式(stagnant-lid)(Stern, 2005, 2020)。

表壳物质循环通常指表壳物质通过板块俯冲或其他机制,进入地球深部经过熔融在新的岩浆活动过程中重新就位的过程,也是板块构造的典型特征之一。表壳物质循环的最有效的方式是板块俯冲模式,但仅通过表壳物质循环的出现并不能证明板块构造活动的发生,因为缓慢活动盖层模式(sluggish-lid)或者局部的俯冲也可以导致表壳物质再循环(Johnsonetal., 2014; Sizovaetal., 2015)。但是表壳物质循环可以区分两个端元构造机制:滞留盖层(stagnant-lid)和活动板块(mobile-lid)。因此在地球早期保留地质证据有限的条件下,通过地球化学指标来探讨表壳物质循环成为了重要的切入点。比如O同位素是反映地表物质循环的有力指标,在地球科学中得到了广泛的应用(Valley, 2003)。然而,任何单一的同位素变化特征可能由不同的机制引起,因此单一的同位素系统可能存在多解性。例如,地球上已知最古老的4.0Ga Acasta片麻岩中的锆石具有低氧同位素特征(Reiminketal., 2014),它既可以通过铁质贫水岩浆结晶分异形成(Gaoetal., 2018; Grimesetal., 2011),也可以是由于与地表水高温水岩相互作用的结果(Zhangetal., 2023)。因此需要结合其他指标共同探讨可能的岩石成因和动力学过程。

1 Si同位素:一个重要的表壳物质循环示踪剂

近年来随着分析技术的提升,花岗质岩石的Si同位素组成特征作为重要的表壳物质循环指标逐渐被引起重视。硅作为地球上第二大丰度元素在自然界有3种稳定同位素28Si(92.23%)、29Si(4.68%)、30Si(3.09%)(Rosman and Taylor, 1998),其同位素特征通常是相对于一个标样(比如NBS28)的比值,用δ30Si=[(δ30Si/δ29Sisample)/(δ30Si/δ29SiNBS28)-1]×1000来表示(Poitrasson, 2017)。Si因为没有氧化还原反应,其同位素在自然界中的变化范围相对O同位素(～90‰)较小(图1; Hoefs, 2015),其中在低温过程中,轻Si同位素更容易保存在风化产物比如粘土矿物中或者富集在沉积物中,而重Si同位素更容易呈溶解态/被溶解(Basile-Doelsch, 2006; Douthitt, 1982; Savageetal., 2013),因此现代海水平均δ30Si比硅酸盐地球(BES)平均值略高 (图1)。而这些具有轻Si同位素特征的地表风化产物/沉积物被重熔后形成的S型花岗岩也同样出现相对轻Si同位素的特征(Poitrasson and Zambardi, 2015)。在高温岩浆作用过程中,部分熔融和结晶分异过程对Si同位素分馏的影响非常有限,因此岩浆岩Si同位素整体变化范围非常小(图1)(Savageetal., 2011, 2014),但随着岩浆的分异演化,在部分熔融和结晶分异过程中,Si同位素组成随着SiO2含量呈现出一个线性相关关系δ30Siwr(‰)=0.0056×SiO2(%)-0.567,被称为火成岩演化序列(Igneous Array)(图2; Savageetal., 2012)。在对应的演化线之上通常被认为富集重Si同位素,在演化线之下则为富集轻Si同位素(比如S型花岗岩)。

Si同位素很早就被应用于地球早期燧石条带/条带状铁建造(BIF),来研究海水温度变化等(Douthitt, 1982; Robert and Chaussidon, 2006; Siever, 1992), 且被认为可能不适合应用于岩浆岩(Douthitt, 1982)。随着分析技术的提升,近年来开始有较多的研究将Si同位素视为示踪表壳物质循环的重要指标 (Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019; Trailetal., 2018; Zhangetal., 2023)。海水中Si的储库主要由两方面决定:(1)地球早期岩浆活动剧烈,海底喷出的大量的高温热液输入;(2)低温沉积过程以及大量生物有机体的获取等方式输出(Andréetal., 2006)。而在太古宙,因为大规模生物有机体的缺乏(Conleyetal., 2017; Siever, 1992),导致海水中Si的输入量大于输出量,整体呈Si饱和状态,比现代海水更富集重Si同位素,硅化的玄武质洋壳同样呈现重Si同位素特征(Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019),因此Si同位素信号可用于示踪太古宙岩浆岩岩石成因和推断其可能的动力学过程。

图1 Si同位素在地表样品中的变化(据Poitrasson, 2017修改)Fig.1 Range of Si isotope compositions in various types of terrestrial samples (modified after Poitrasson, 2017)

相对于Si同位素,O同位素在对高温和低温水岩过程均有较明显的分馏(Hoefs, 2015),已经在固体地球研究过程中被广泛应用(Valley, 2003),尤其是在示踪地表物质(比如地表水)再循环方面。O和Si同位素虽然均可以指示地表物质的加入,但是具体指示的物质源区是不同的,比如脱硅化物质(泥质岩)和硅化物质(硅化洋壳)的加入均可以导致后期岩浆岩表现出高O同位素特征,但是其Si同位素信号是完全相反的(图3)。据此Trailetal.(2018) 提出了Si-O同位素约束下的岩浆物质来源的三个不同路径:(1)化学风化(去硅化);(2)水化(无去硅和无硅加入);(3)硅化(图3),因此Si和O同位素的综合分析可以更好地约束岩石成因和可能的动力学过程。

2 Si-O同位素在太古宙花岗质岩石中的应用

太古宙陆壳主要由一套富Na的花岗质岩石组成,包括奥长花岗岩(Tonalite)-英云闪长岩(Trondhjemite)-花岗闪长岩(Granodiorite)(TTG),是地球早期地壳的重要组成部分(Martinetal., 2005; Moyen and Martin, 2012)。目前多数学者一致认为TTG是含水玄武质岩石在不同压力条件下部分熔融的产物,但是其具体的成因和形成的构造环境还存在较大争议。为进一步理解地球早期岩浆过程和构造环境,Si同位素或Si-O同位素体系在TTG的应用近年来也逐渐引起广泛关注(Leietal., 2023a, b; Trailetal., 2018; Zhangetal., 2023)。

一部分学者主要采用微区原位分析方法,比如Trailetal.(2018)应用离子探针(CAMECA SIMS)对显生宙已知构造背景的岩浆岩的锆石进行Si-O同位素分析,通过对比其岩石成因,提出了岩浆过程中常见的三种物质来源(图3);又进一步分析了澳大利亚西部的Jack Hills碎屑锆石(3.3～4.2Ga),并认为尽管大于4.0Ga的锆石多数呈现出地幔Si值特征,但是特征值分布相对分散,可能代表这些冥古宙锆石原岩的岩浆源区并非是单一的基性岩,可能有化学沉积物和硅化洋壳的加入。但由于该项先驱工作的微区Si同位素分析误差较大(2se=0.32),而岩浆岩Si同位素分馏很小(图2),其潜在的变化规律有可能被较大的误差掩盖了,因此该部分数据本文后续暂不做进一步讨论。

另外一部分学者主要通过溶液法分析了太古宙TTG的石英和全岩的Si同位素(Andréetal., 2019, 2022; Dengetal., 2019),一致认为太古宙TTG均记录了重Si同位素的信号,但是这些研究并没有系统分析地球上已知最古老的岩石——来自加拿大西北部地区的4.0Ga的Acasta TTG。另外由于多数太古宙TTG都经历了强烈变质变形,这些研究并没有提供直接的证据能够证明石英/全岩检测到的Si同位素组成能够代表其原始特征。虽然以往的研究报道了Si同位素具有较强的抗次生变质作用特征,比如Andréetal.(2006)通过分析一个英云闪长岩样品中的BIF包体,发现BIF的低Si同位素组成没有被寄主岩英云闪长片麻岩的高Si同位素组成所改造,因此认为BIF的Si同位素在被高温岩浆捕获过程中没有被改造。但是这些并不能够直接证明TTG中重结晶的石英在变质过程中Si同位素是否处于封闭体系。

图2 Acasta TTG全岩δ30Si相对于SiO2含量的变化火成岩演化序列据Savage et al. (2011). S型花岗岩区据Savage et al. (2014), Poitrasson and Zambardi (2015) 和Poitrasson (2017);Acasta Si同位素数据来自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 微区原位分析的误差对比

图3 Si-O同位素图(路径据Trail et al., 2018)Jack Hills数据来自Trail et al. (2018). Acasta数据来自Zhang et al. (2023). 实线代表地幔同位素值,虚线代表各自的误差值. 地幔锆石Si和O同位素的值分别来自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

图4 锆石、石英和全岩Si同位素评估流程图Fig.4 Evaluation of zircon, quartz, and whole rock Si isotopes

近年来Si同位素微区分析精度有了很大提升(表1),例如离子探针(SIMS)锆石Si同位素微区分析的内部精度可以达到0.07(2se)(Liuetal., 2022)。最近Zhangetal.(2023)应用超高精度锆石和石英Si同位素微区分析方法,对加拿大西北地区Acasta TTG(4.0～3.5Ga)进行了分析研究,揭示了该套岩体在～3.8Ga时出现了Si同位素组成的“突变”(图2)。Leietal.(2023a, b)也充分应用Si-O同位素联合示踪,对南非Barberton地区的3.5～3.2Ga TTG,以及华北地区的2.9～2.5Ga TTG岩石成因及构造背景提供了进一步的约束。

总之,近年来随着不同分析方法分析精度的提高,Si同位素在TTG中的应用逐渐引起了众多学者的兴趣,但是在进行地质过程之前仍需进一步仔细评估所获得的数据是否能够代表原始信号。

3 Si同位素信号评估

3.1 锆石Si同位素

锆石作为中酸性岩浆岩中常见的副矿物也是最常用的一种定年矿物,具有较强的抗蚀变和抗高温高压变质等次生作用的能力。依据锆石中元素的相对扩散速率(DTh, U≪DSi≪DPb)(Cherniak, 2008; Cherniak and Watson, 2001),可以通过锆石U-Pb体系约束Si同位素的封闭性,即如果锆石U-Pb年龄是谐和的,则锆石Si同位素很有可能也是封闭的。考虑到太古宙锆石结构和成分的复杂性,相比较于溶液法,应用高精度的微区原位分析方法来探讨锆石Si同位素组成更为适合。Zhangetal.(2023)提出在分析太古宙TTG的同位素特征时,首先要对锆石进行显微图像、U-Th-Pb定年、激光拉曼等原位分析,然后依据锆石Si同位素的5个主要筛选标准过滤掉噪音数据(图4)。其中筛选标准主要包括:(1)Si同位素的分析点位要保证其具有谐和的锆石U-Pb年龄(不谐和度值小于10%);(2)锆石结晶程度较好(可用激光拉曼等方法检验);(3)Si同位素分析的产率要和同批次的锆石标样相当;(4)避开裂缝(年龄分析完抛光后,在分析Si同位素前后需要重新检测);(5)误差相对较大的建议排除。另外,锆石U和Th含量相对与结晶完好的锆石出现异常时也需要注意排查,但通常在排查完以上5点时,最后U、Th异常的分析点已经被删除,为精简筛选流程,该条标准有时可不单独列出。

依据以上标准,Zhangetal.(2023)对Acasta TTG的锆石Si同位素进行了筛选,与最具代表性的锆石颗粒(相对结晶度最好的)相比,受一个或多个上述因素影响时绝大多数(约84%)的分析点呈现相对低的Si同位素特征(图3、图5)。最终筛选后的数据通常被认为可以代表这些样品的原始Si同位素组成,并在最具代表性的锆石Si同位素数据基础上,可以对石英和全岩的Si同位素信号进行评估。

3.2 石英Si同位素

由于多数太古宙TTG经历了角闪岩相以上的变质作用,石英颗粒呈现为重结晶态。尽管石英成分和结构相对简单,比锆石更容易分析,在进一步地质意义解释之前,仍需要检验这些石英Si同位素系统是否在变质过程中保持了封闭状态,是否可以代表原始Si信号。在筛选后的锆石Si同位素基础上,通过Si在锆石和石英间的分馏关系可以计算其对应的Si同位素平衡温度(TSi),再对比依据O同位素在两矿物之间的分馏计算出的O同位素平衡温度(TO),锆饱和温度(Tzrc),和/或锆石Ti温度计(图4)。如果这些温度是统一的,那石英的Si以及O同位素则很有可能代表其原始组成,如果不一致则表示部分元素/同位素可能在变质作用等过程中被改造了,其结果不能反映岩石形成时的组成。

对于TSi和TO的计算,目前主要有实验计算公式Δ30Si(qtz-zrc)=(0.53±0.14)×106/T2(Trailetal., 2019),Δ18O(qtz-zrc)=(2.33±0.24)×106/T2(Trailetal., 2009),第一性原理计算公式Δ30Si(qtz-zrc)=0.40082x-0.02547x2+0.00165x3,Δ18O(qtz-zrc)=2.68221x-0.19012x2+0.01147x3(x=106/T2; Qinetal., 2016),以及经验公式Δ18O(qtz-zrc)=2.64×106/T2(Valleyetal., 2003)等。Zhangetal.(2023)通过对成分相对均一的标样qinghu锆石和石英的Si和O同位素进行检验,发现理论计算(第一性原理)的分馏温度(TSi和TO)与锆石Ti温度更为一致(图6a),应用该公式对Acasta的锆石和石英Si和O同位素数据进行了检验,发现TSi与锆饱和温度以及TTi温度都较为一致,所以Acasta TTG中的石英Si同位素可能也代表了原始的Si信号;但是TO温度明显较低,指示了TTG中的石英O同位素信号在变质作用过程中已经被改造(图6b)。因此,在筛选锆石Si同位素数据的基础上,检验TTG中石英的Si和O同位素是否能够代表其原始组成不仅是可行的,而且是必要的。

3.3 全岩Si同位素

尽管对锆石和石英的Si同位素已经进行了评估,但由于长石作为TTG的另外一种主要造岩矿物,其抗风化能力相对较弱,其次生过程有可能会影响全岩的Si同位素变化,因此全岩的Si同位素是否能代表原始信号仍不确定。Si同位素在锆石/石英与全岩间的分馏主要取决于结晶温度和熔体的SiO2含量,该分馏系数也同样有实验(Trailetal., 2019)和理论计算公式(Qinetal., 2016)。为保持和之前石英评估标准的一致性,建议同样采用第一性原理公式来计算全岩与石英/锆石之间的分馏。依据之前筛选后的锆石和石英Si同位素数据和测得的全岩Si同位素,可以得出测试的分馏参数ΔSimeasured(zrc-wr)和ΔSimeasured(qtz-wr),再对比理论计算数据(图4),如果在误差范围内保持一致则认为全岩Si同位素能够代表原始信号,否则则说明全岩Si同位素体系可能收到了后期改造的干扰。Zhangetal.(2023)将其测试值与理论计算结果进行了比较,发现除了少数样品的测量值较低外,大部分测量值与理论计算结果一致,因此认为Acasta TTG样品全岩Si同位素数据显示出与石英和锆石一致的Si同位素特征,个别样品全岩Si同位素特征偏低,可能是由于长石蚀变或变质作用所致,该部分样品则不能用于岩石成因和构造环境的解释。因此,在进行地质解释之前,有必要根据过滤后的锆石和/或石英Si同位素数据对全岩Si同位素组成是否保持封闭体系(代表岩浆组成)进行评估。

图5 锆石的次生改造对Si同位素的影响其中最具代表性的样品数据分析误差平均为0.06(2se),Si同位素受弱干扰的样品平均分析误差为0.07(2se),“噪音”数据误差范围为0.05～0.36(2se). Acasta TTG的锆石数据来自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 全球数据库及其启示

4.1 Si-O同位素数据

依据现有的太古宙TTG的Si同位素数据资料,Si同位素组成(δ30Si)在～3.8Ga时开始明显升高,而～4.0Ga TTG的δ30Si与Igneous Array相当,表明3.8Ga可能是表壳物质再循环的开始时间(图7a)。其中Acasta TTG配对的O同位素与Si同位素变化规律一致,δ18O和δ30Si在～3.8Ga同时升高(图3)。Reiminketal.(2014)基于Acasta TTG的锆石CL图像和年龄分析结果,认为在4.0Ga有两期锆石,尽管年龄上难以区分,但是依据生长的环带可以区分,并且报道了第一阶段锆石具有地幔δ18O值,第二阶段δ18O则相对较低,认为第二阶段锆石生长过程中可能有表壳水的加入发生了高温水岩反应。然而在4.0Ga时的海水呈Si饱和状态,富集重Si同位素(Andréetal., 2019),如果有海水的加入则应该有重Si同位素信号的出现。Zhangetal.(2023)也报道了4.0Ga锆石有低O同位素特征,但并未在4.0Ga锆石上检测到重Si信号,因此提出这些低δ18O特征可能是由于铁质贫水岩浆结晶分异形成的,因为富铁花岗质岩浆的结晶分异有可能会导致δ18O降低～0.5‰(Gaoetal., 2018; Grimesetal., 2011)。因此,基于目前配对的Si-O同位素数据,～4.0Ga的Acasta TTG中并没有表壳物质再循环的信号。

尽管全球太古宙TTG的Si同位素数据以及～4.0Ga的Acasta TTG配对的Si-O同位素数据均支持在～3.8Ga出现了表壳物质的再循环,但是全球规模的O同位素数据在3.8Ga并没有明显转折(图7b, c)。Wangetal.(2022)报道了锆石O同位素在3.2Ga有一次显著升高,另外一个显著变化是在～2.5Ga,最先由Valley (2003)提出,在近些年更新的数据库中2.5Ga仍然是一个O同位素显著升高点(Spenceretal., 2017)。这些转折点在当前的Si同位素数据集中并没有观察到相应的变化。一方面可能是目前全球Si同位素数据量还不够大,潜在的变化还没有被发现,另一方面“解耦”现象可能代表了它原始的特征,也可能是样品分析偏差或者是分析技术引起的。Leietal.(2023a)最近也提出了Barberton 3.45～3.23Ga TTG的Si-O同位素出现了“解耦”,可能是既有表壳硅化物质的加入,也有后期科马提岩流体加入的影响。其他时间节点的“解耦”成因目前还是未知,因此仍需要更多和更精准配套的太古宙TTG样品的Si-O同位素数据,以进一步理解地球岩石成因和对应的构造环境。

虽然目前整个太古宙配对的Si-O同位素数据还存在很大的不确定性,但是Acasta片麻岩的Si-O同位素在经过系统评估后在～3.8Ga出现转折是清楚的(Zhangetal., 2023)。这个转折也与其他同位素等地球化学指标(比如Ti和Hf同位素)、地质观察以及其他相关的事件(比如风化过程的开始)的时间相一致(表2)。此外,Geetal.(2023)近期报道的岩浆氧逸度和水含量变化也出现在该时期。因此,～3.8Ga时期不仅指示了表壳物质循环的开始,也有可能指示了构造环境的转换。

4.2 Ge/Si比值和Si同位素

为了更全面的综合应用Si同位素,近期有学者提出Si同位素应该结合Ge/Si比值共同约束地球早期的岩浆过程(Andréetal., 2022)。Ge几乎可以完全替代硅酸岩晶格中的Si,这导致大多数硅酸岩中的Ge/Si比值变化很有限(1.5～3.0μmol/mol),并且在部分熔融和岩浆分异过程中的变化也非常小(de Argollo and Schilling, 1978)。而根据Ge和Si在不同硅酸岩中的相容性不同(Heetal., 2019),以及 Ge(OH)4(aq)和 Si(OH)4(aq)的生成焓和热容的不同会导致Ge/Si随温度变化较大,比如在低温流体和硅酸岩(粘土、蛋白石等)中会有较大的Ge/Si分馏(Andréetal., 2022; Pokrovski and Schott, 1998),这使得Ge/Si成为示踪表壳流体的一个潜在的重要指标。因此 Andréetal.(2022)建议将Ge-Si体系结合Si同位素共同应用于岩浆岩的研究中,可以为判断岩石成因和地球早期构造环境提供更多有效的证据。

图6 石英Si同位素数据评估(a)不同方法计算的标样Qinghu平衡温度对比图. 依据不同计算方法对比Qinghu Si和O同位素在石英和锆石之间的平衡温度以及锆石Ti温度. Qinghu锆石和石英Si同位素数据来自Liu et al. (2022),Qinghu锆石和石英O同位素数据分别来自Li et al. (2013)和Tang et al. (2020),Qinghu 的锆石Ti温度来自Li et al. (2013);(b)Acasta TTG样品Si和O同位素平衡温度以及锆饱和温度对比图. Acasta同位素数据来自Zhang et al. (2023). 锆饱和温度的计算据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 近些年发表的在3.8～3.7Ga的其他地球化学数据和地质观察

Andréetal.(2022)通过对GEOROC数据库中各种岩石类型的太古宙样品Ge/Si比值进行整理,指出硅化洋壳(上部洋壳)的Ge/Si比值高于非硅化洋壳(下部洋壳),并报道了太古宙TTG的平均Ge/Si比值为1.15μmol/mol。结合太古宙地壳Si同位素特征,硅化地壳具有低Ge/Si和重Si同位素特征,非硅化地壳具有高Ge/Si和相对轻Si同位素特征。～4.0Ga的Acasta TTG具有高Ge/Si比和较轻的Si同位素特征,而较年轻的Acasta(3.7～3.6Ga)和Baberton(3.5～3.1Ga)TTG具有较低的Ge/Si比和较重的Si同位素特征(图8; Andréetal., 2022; Zhangetal., 2023),同样指示了3.7Ga左右是一个转折点,记录了岩浆源区开始有硅化洋壳加入的过程。

尽管当前的数据库依然不能证明是否在3.7～3.8Ga开始了板块俯冲,但是在该时期开始明显有表壳物质的加入,可能指示了构造环境的转换。

4.3 未来研究方向

(1)更高精度的同位素约束:目前太古宙TTG的Si-O同位素指示的变化在3.8Ga左右,其范围可能是3.7～3.9Ga。但是由于整体在3.8Ga左右的数据非常少,而3.8Ga的样品目前在格陵兰地区和中国鞍山地区都有完好的保存,因此这些地区的样品可能会对转折点的时间上提供精准的约束。另外由于之前澳大利亚西部Jack Hills碎屑锆石的分析误差较大,未来通过更高精度的原位分析,可以更加完善地球早期构造环境的约束。

图7 太古宙TTG Si同位素与全球O同位素分布图

图8 太古宙TTG的全岩Si同位素与Ge/Si对比图横向实线代表SiO2含量在60%～70%的样品对应在Igneous Array的δ30Si值,浅黄色区域代表其误差范围。Acasta和Barberton样品分析误差分别为0.03～0.08和0.02～0.07(2sd). Acasta数据来自Zhang et al. (2023),Barberton数据来自André et al. (2022). 为了和Barberton的数据保持一致,Acasta全岩Si同位素数据是从其石英Si同位素换算而来,计算过程在Zhang et al. (2023)中有详细表述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)配套的多元同位素体系联合示踪:目前配对的Si-O同位素分析数据非常有限,就当前的数据库来看,部分时间段的Si和O同位素出现了“解耦”现象,该现象是否代表了其真实的信号还需要进一步检验,以更好的约束整个太古宙TTG岩石成因和动力学过程。除配对的Si-O同位素之外,其他配套的同位素示踪体系还有待进一步研究。

5 结论

(1)在地球早期由于缺乏大量生物导致海水处于Si饱和的状态,硅化的地壳具有富集重Si同位素的特征,这使得Si同位素成为了研究地球早期表壳物质循环的重要示踪指标。配对的Si-O同位素及Ge/Si比值等其他指标均可为地球早期构造环境研究提供重要约束,但是在提取Si同位素信息时需要特别注意分析结果其是否能够代表原始的组成信息。

(2)目前的数据仅仅能证明表壳物质循环至少起始于3.8Ga,尽管这还不能直接约束板块构造的起始;但目前这些数据至少能够说明在～3.8Ga之前存在某种机制将表壳物质输送回地球内部,暗示在3.8Ga可能发生了构造机制的转化。但这也并不排除未来的研究,比如更高精度的Jack Hill碎屑锆石的Si同位素分析可能会带来新的认识。

致谢感谢王孝磊和王强教授对本项工作的评审,感谢夏小平和葛荣峰教授对本文提出宝贵的修改意见,感谢雷凯分享华北TTG的Si同位素数据。