[导语] 近日《美国国家科学院院刊》发表文章，通过分析来自地球上最古老地壳碎片的锆石，探索了地球早期板块构造机制。研究发现滞留盖层和活动盖层这两种构造体系，在约39亿年前的太古代早期同时存在并以不同方式演化。研究结果挑战了单一板块构造模型的局限性，为理解地球早期大陆地壳形成和演化提供了新的证据。
地球早期大陆地壳是如何形成和演化的？这是地球科学领域的核心问题之一。大陆地壳的形成和演化过程控制着地球的地球动力学、地表环境以及大气条件的演变。然而，由于经历了约40亿年的地壳循环和改造，早期地球构造运动的细节一直难以捉摸。目前，关于早期地球板块构造机制主要存在两种模型：滞留盖层模型（stagnant-lid）：该模型认为早期地球地壳像一块“盖子”一样覆盖在地幔之上，地壳运动以垂向为主，缺乏现代地球那样的水平板块运动。活动盖层模型（mobile-lid）：该模型认为早期地球已经存在类似于现代地球的水平板块运动，包括俯冲、碰撞等过程。这两种模型的争议焦点在于早期地球是否存在类似于现代地球的俯冲带。俯冲带是地球上最重要的地质构造之一，与地震、火山活动以及大陆地壳的形成密切相关。图1. (A和B) 原始地幔标准化的AGC（蓝色）和SHC（绿色）片麻岩的全岩微量元素图，显示了重稀土元素亏损与年龄的关系。作为对比，图中还显示了已发表的AGC全岩数据和平均太古代TTG数据。(C) AGC和SHC的样品平均锆石Eu/Eu值，更高的锆石Eu/Eu值表示更高的熔融压力。作为对比，图中还显示了来自绿砂岩层(GSB)和更广泛的巴伯顿研究的碎屑锆石分析数据。(D) 地图显示了AGC（照片来自Sam Bowring）、SHC和GSB相对于全球太古代地壳分布的位置。为了探究地球早期板块构造机制，本研究选择了一种特殊的矿物——锆石作为研究对象。锆石是岩浆岩中常见的副矿物，具有极高的化学稳定性和抗风化能力，可以保存数十亿年前的地球化学信息。研究人员对来自加拿大阿卡斯塔片麻岩杂岩（Acasta Gneiss Complex, AGC）和萨格莱克-赫布伦杂岩（Saglek-Hebron Complex, SHC）的锆石进行了分析。这些岩石是地球上最古老的地壳碎片之一，记录了地球早期演化的关键信息。图2. 锆石同位素和微量元素数据的时间序列。(A) 全球锆石εHf数据汇编。本研究的目标样品用菱形表示。靠近亏损地幔（DM）的成分被解释为来自幼年地壳。(B) 锆石δ18O，以及来自参考文献的全球数据汇编。(C) 锆石U/Nb。(D) 锆石Sc/Yb。图B、C和D中的菱形代表AGC和SHC片麻岩的岩石平均锆石数据，而彩色圆圈表示单个锆石分析的数据范围。彩色条带（C和D）表示典型的显生宙弧岩和MORB/OIB源区的第一至第三四分位数。研究团队采用了一系列先进的地球化学分析技术，包括：二次离子质谱法（Secondary ion mass spectrometry, SIMS）: 用于测定锆石的氧同位素组成和微量元素含量。U-Pb同位素定年法（U-Pb dating）: 用于测定锆石的形成年龄。全岩地球化学分析（Whole-rock geochemistry）: 用于分析岩石的整体化学组成。研究结果表明，阿卡斯塔和萨格莱克地区的锆石都记录了含水熔融的地球化学特征。含水熔融是指岩浆在形成过程中有水参与的过程，是俯冲带岩浆活动的重要标志。图3. Grimes等人的锆石微量元素二元图。AGC（蓝色）和SHC（绿色）数据以各个样品的岩石平均锆石值显示（年龄见图2）。其中，深蓝色和深绿色分别代表始太古代样品。阿卡斯塔地区：早期（约39亿年前）的锆石显示出低压环境下形成的特征，可能反映了滞留盖层构造背景下的岩浆活动。而在约36亿年前，锆石的地球化学特征发生了变化，显示出高压环境下形成的特征，可能暗示着活动盖层机制开始发挥作用。萨格莱克地区: 早在约39亿年前，锆石就记录了高压环境下形成的特征，表明活动盖层机制可能在该地区很早就已经启动。图4. AGC（蓝色）、SHC（绿色）、碎屑GSB（X和正方形）以及巴伯顿锆石（+）的单个锆石分析的岩石成因图解，展示了后期形成的锆石中角闪石分馏的影响（趋势来自参考文献）。据推测，AGC和SHC锆石相对较高的Sc/Yb值是由于锆石与富角闪石熔体平衡生长造成的，而三个锆石产地（AGC、SHC、GSB/巴伯顿）的Sc/Yb和Gd/Yb值随Ti含量增加而降低，这可能反映了开放体系下的分步结晶过程。此外，研究还发现，尽管两个地区的锆石都记录了含水熔融的证据，但它们在其他地球化学指标上存在差异，例如锆石的氧同位素组成和稀土元素配分模式等。这表明，即使在同一时期，不同地区的地球动力学过程也可能存在显著差异。这项研究揭示了地球早期板块构造机制的复杂性。滞留盖层和活动盖层机制可能在地球早期同时存在，并且在不同地区的表现形式有所差异。含水熔融是俯冲带岩浆活动的重要标志，本研究发现的早期含水熔融证据支持了活动盖层机制在早期地球可能已经发挥作用的观点。参考文献：Emily E. Mixon. 2024. Zircon geochemistry from early evolved terranes records coeval stagnant- and mobile-lid tectonic regimes. September 16, 121 (39) e2405378121
