Nature Geoscience：太古代TTG的成因——来自硅同位素的证据

来源：中科院地质地球所

【前沿报道】Nature Geoscience：太古代TTG的成因——来自硅同位素的证据

太古代英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（tonalite–trondhjemite –granodiorite, 即TTG岩系）是大陆地壳的最主要组成部分，对其成因一直存在很大争议。Nature Geoscience最近同时发表了两篇文章，从硅同位素的角度对早期陆壳的形成机制进行了探讨。

其中一篇文章根据非洲Kaapvaal克拉通具代表性的35.1-26.9亿年奥长花岗质和花岗质侵入体具有非常一致的、比现代陆壳岩石重0.1-0.2‰的硅同位素，认为它们的镁铁质源区受到富硅海水不同程度的硅化。奥长花岗质和花岗质岩石分别来源于SiO2含量52-57 wt%和≥60 wt%的硅化玄武岩的熔融。

另外一篇文章显示来自格陵兰、加拿大、西伯利亚和斯堪的纳维亚等地的40-28亿年的TTG也具有类似于上述Kaapvaal克拉通奥长花岗质和花岗质侵入体的富重Si同位素特征，作者认为这些TTG是由于俯冲的玄武质洋壳及少量燧石(富重Si同位素)的部分熔融而形成，并由此推断板块俯冲作用在40亿前即已开始。 　　 

一、早期陆壳形成于被海水不同程度硅化的玄武岩的重熔（André et al., 2019）

与太阳系内其它类地行星不同，地球具有厚的长英质大陆地壳，其主要形成于地球早期(Pringle et al., 2016)。太古宙的陆壳主要由富钠的英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（tonalite–trondhjemite–granodiorite, 即TTG岩系）与富钾的花岗岩-二长岩-正长岩（granite–monzonite–syenite, 即GMS岩系）组成，厘清这些花岗岩类岩石的形成机制对于理解陆壳在早期如何生长以及为何有别于其它行星至关重要。 

现今地球中各主要的硅酸盐储库具有近于一致的平均硅同位素组成。其中，玄武岩质熔体的硅同位素组成(δ30Si = -0.32 ± 0.12‰)与其幔源储库(-0.29 ± 0.08‰)没有区别，但其分异后的熔体具有略重的硅同位素（δ30Si最高达-0.14‰左右），这是因为熔体与结晶相间存在低程度的硅同位素分馏（Δ30Sisolid-melt约为-0.125‰）(Savage, 2011)。这些岩石共同地限定了硅同位素的“火成岩趋势线”（图1），即描述了熔体的硅同位素组成同SiO2含量间的相关关系。

图1  虚线标记的是由Afar和Iceland的岩石（黑方形）分异趋势确定的线性“火成岩趋势线”，其等式为δ30Si(‰) = 0.0056*SiO2(wt%) - 0.567。其中虚线周围灰色的区域是其±0.05‰的不确定度。图中可见，大多地球上的火成岩落在灰色区域中，各种符号代表了来自不同地区不同类型的岩浆岩，只有过铝质S型花岗岩（蓝色圆点）例外，相同SiO2含量情况下这些过铝质花岗岩具有比其它岩浆岩更低的δ30Si（André et al., 2019）　　  

前寒武纪的海水是富硅的，这些硅主要来自于发生高温热液蚀变的洋壳，富硅的海水导致大量的条带状铁建造（BIF）和燧石以及相关的非晶质硅的沉淀。因为这些沉淀物与海水相比都是富集28Si的，根据质量平衡原理，残余的硅饱和海水与之后沉淀的硅随着时间的推移都将具有更高的δ30Si值。由于以玄武质岩石为主的太古宙大洋基底与重硅特征的海水反应，导致它们具有正的硅同位素组成。硅同位素可以在高温下（>700℃）保持稳定（André et al.，2006），这使得表壳岩石在其达到部分熔融条件时仍保持硅同位素组成不受改变（Savage et al.，2012）。因此，硅同位素可以作为判断太古宙花岗岩类岩石来源的一种有效手段。 

Kaapvaal克拉通Barberton绿岩带（BGB）的35.1-26.9 亿年奥长花岗质和花岗质岩石具有一致的硅同位素特征，均比现今陆壳岩石更富重硅同位素（高0.1-0.2‰）（图2）。这种异常的组成可用其镁铁质源区作解释，其中相当一部分（15-35 wt%）为硅化玄武岩，这些岩石在30亿年前是常见的表壳岩。在深部发生熔融并产生花岗岩类岩浆前，其相当一部分镁铁质源岩与硅饱和的海水反应而变得富硅。硅的加入使得在相同水分活度下角闪石变得更不稳定，从而允许奥长花岗质（TTG）和花岗质（GMS）的熔体能在低温下从明显不同SiO2含量（分别是52-57 wt%和≥60 wt%）的源岩中形成。这解释为什么花岗岩类能在地球很早期形成，而没有大量出现在别的星球上。 

与其它地区的对比揭示出大多数太古宙早期（也可能包括冥古宙）的长英质岩石具有相似的海水起源的硅组成。这说明硅化的海底源岩的重熔作为形成原始长英质陆核的重要机制具有全球性的普遍意义。 

图2  Kaapvaal克拉通东部的TTG岩（黄菱形）与GMS岩（红方形）的全岩硅同位素组成。这些岩石的硅同位素组成比“火成岩趋势线”（小黑色符号代表落在图1a中火成系列的所有岩石）更重。TTG投图在序列（蓝色虚线）右端，这条虚线是由来自Onverwacht组的未硅化（紫色圆点）、硅化（蓝色圆点）变玄武岩和夹层燧石（蓝色三角形）限定的。也同时显示了来自Barberton Buck Reef的其它燧石（白色三角形）以作比较。SiO2在52-57 wt%的椭圆蓝色区域是推定的TTG源区成分。与“火成序列”平行的黄色箭头指示了产生TTG的硅化源岩在平衡熔融时δ30Si和SiO2含量同时升高的趋势（André et al., 2019）　　  

二、硅同位素揭示太古代花岗岩类来源于俯冲洋壳的熔融（Deng et al., 2019） 

　该文章获得35.0-27.0亿年科马提岩（幔源超镁铁质火山岩）的δ30Si为-0.29±0.02‰，与通过现今幔源岩石而估计的全硅酸盐地球（Bulk silicate Earth）值（-0.29±0.01‰）相同，据此作者认为地幔的硅同位素组成自35亿年前至今没有明显的变化。而39.8-27.9亿年的TTG全岩δ30Si为-0.01±0.02‰，不仅明显高于地幔值（δ30Si=-0.29±0.01‰），而且明显高于显生宙I型和A型花岗岩，稍高于现代埃达克岩（图3）。 

图3  含水拉斑玄武岩在不同地质背景的地热梯度条件下部分熔融的相平衡关系。幔源岩石包括太古代的TTG和科马提岩、显生宙的I型和A型花岗岩以及现代玄武岩、橄榄岩和埃达克岩的δ30Si显示在内嵌的小图中。右下的小图中现代（黑虚线）和太古代（黑实线）幔源岩石与显生宙花岗岩的Si同位素进行了对比。Plg-斜长石，Hbl-角闪石，Grt-石榴石（Deng et al., 2019）　

论文进一步论证了在地热梯度为40℃/kbar（即～13℃/km），拉斑玄武岩的部分熔融发生在压力>20 kbar的条件时，残留矿物为石榴石、单斜辉石、角闪石和金红石，所产生熔体的Si同位素（δ30Si=-0.02～0.12‰）接近现代埃达克岩（δ30Si=-0.06±0.02‰）。而在地热梯度为100℃/kbar（即～33℃/km），部分熔融发生在压力<8-10 kbar的条件时，残留矿物为单斜辉石、斜长石和角闪石，产生熔体的Si同位素(δ30Si=-0.20～0.10‰)接近显生宙I型和A型花岗岩（δ30Si=-0.18±0.02‰）。尽管太古代TTG的全岩化学组成与上述显生宙埃达克岩和花岗岩近于一致，但是其δ30Si偏高+0.1到+0.2‰，这意味着在其源区存在重Si同位素的组分。 

太古代的海洋沉积燧石具有高且变化较大的δ30Si值（0～+4‰），并且还富集18O，因此在TTG的源区里存在少量燧石可以解释TTG同时具有富集重O和Si同位素的特征。这样一个合理的推理是：海底燧石和洋壳一起被俯冲到一定的深度并发生部分熔融产生具有高δ18O和δ30Si的TTG，也表明早在～40亿年前至少在局部存在岩石圈的侧向运动和沉积物的向下运移，即板块俯冲作用在40亿前即已开始，并且大洋俯冲可能是太古代长英质地壳生长的主要机制。 　　  

参考文献

1.André L, Abraham K, Hofmann A, et al. Early continental crust generated by reworking of basalts variably silicified by seawater[J]. Nature Geoscience, 2019, 12: 769-773.

2.André L, Cardinal D, Alleman L Y, et al. Silicon isotopes in～ 3.8 Ga West Greenland rocks as clues to the Eoarchaean supracrustal Si cycle[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2006, 245(1-2): 162-173.

3.Deng Z, Chaussidon M, Guitreau M, et al. An oceanic subduction origin for Archaean granitoids revealed by silicon isotopes[J]. Nature Geoscience, 2019,12: 774–778.

4.Pringle E A, Moynier F, Savage P S, et al. Silicon isotopes reveal recycled altered oceanic crust in the mantle sources of Ocean Island Basalts[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 189: 282-295.  

5.Savage P S, Georg R B, Williams H M, et al. Silicon isotope fractionation during magmatic differentiation[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2011, 75(20): 6124-6139.

6.Savage P S, Georg R B, Williams H M, et al. The silicon isotope composition of granites[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2012, 92: 184-202.