地球科学｜王达：146Sm⁃142Nd同位素制约早期地球的地壳起源

学术科学 2025-01-16 00:00 湖北

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地球形成最早10亿年的岩石记录稀缺，严重阻碍了地质学家对地球早期地壳起源的认识.短寿命放射性衰变的146Sm-142Nd同位素体系，由于其较短的半衰期（103 Ma），可以示踪地球早期的不相容元素分异过程，是制约早期地壳起源机制的重要手段.当前已有地球化学证据显示早期地球可能有多次地幔不相容元素亏损事件，而导致早期地球地幔亏损的原因很可能是冥古宙大规模原始地壳的形成.大规模的冥古宙原始地壳不仅是地球上多数现存最古老的始太古代岩浆岩的前身，也为新太古代大陆的形成提供了重要的物质来源.首先简述146Sm-142Nd体系定年和示踪的基本原理，并介绍142Nd同位素异常的分析方法.在此基础上，系统总结了全球有始太古代岩石出露的地块的142Nd同位素异常特征，探讨早期地球地壳的起源模式.

根据全球现存的始太古代地块样品的μ142Nd异常数值，可以分为2类：（1）加拿大Slave克拉通的阿卡斯塔片麻岩杂岩体与Superior克拉通的Nuvvuagittuq绿岩带，扬子克拉通木子店片麻岩体，以及南极洲东部Napier山脉等地区具有μ142Nd负异常，代表了约4.3 Ga硅酸盐分异作用形成的冥古宙不相容元素富集储库，而这个富集储库本身很可能是地球基性原始地壳；（2）与第一类μ142Nd为负值的地体相对应的是北大西洋克拉通格陵兰Isua绿岩带与加拿大东北Saglek地块，华北克拉通鞍山和曹庄地区.这些地体均具有正的μ142Nd值，代表了冥古宙的不相容元素亏损地幔.

地壳主要形成于地幔的部分熔融作用，如果大量的地壳从地幔中抽取出来，则会导致相对应的地幔区域亏损不相容元素.太古宙克拉通的岩石圈地幔与地壳近乎同时期的形成则支持了这一机制在太古宙也是成立的.因此，北大西洋克拉通和华北克拉通所代表的早期亏损地幔的形成很可能是冥古宙大量原始地壳从原始地幔中抽取的结果.换句话说，在冥古宙地球很可能有大量类似阿卡斯塔、Nuvvuagittuq、木子店地体的玄武质母体的原始地壳存在.但是，在以格陵兰为代表的地体中~3.8 Ga岩石的Hf和Nd同位素组成记录了不同程度或相反的Lu/Hf和Sm/Nd分异，即早期地球的Hf⁃Nd解耦或Hf⁃Nd悖论.Caro et al.（2005）通过23 GPa条件的高温高压实验模拟岩浆洋结晶过程，发现稀土元素和高场强元素在熔体与下地幔矿物布里奇曼石之间的分配系数非常不同，并以此解释早期地球的Hf⁃Nd悖论.这意味着岩浆洋结晶的残余熔体可能具有未强烈分异的Lu/Hf比值和高度分异的高Sm/Nd比值.根据此模型的观点，冥古宙地球岩浆洋的分离结晶作用产生的硅酸盐熔体富集不相容元素，代表早期地球的富集地幔储库，可以作为阿卡斯塔、Nuvvuagittuq、木子店这些μ142Nd为负值的地体的源区，而岩浆洋的结晶物（如布里奇曼石、毛钙硅石等）亏损不相容元素，代表早期地球的亏损地幔储库.但此观点又无法很好地解释阿卡斯塔、木子店地体强烈耦合的Hf⁃Nd关系；此外，近期一些对于太古宙早期岩石的研究发现了古老的岩石在结晶后经历了多次变质和热事件，全岩Sm⁃Nd同位素系统受到了强烈改造作用，不能用于示踪其初始的岩浆源区.所以早期地球的Hf⁃Nd悖论以及冥古宙壳幔相互作用或硅酸盐分异对142Nd同位素的影响还缺乏一个全面的解释，需要未来进行更多的工作.此外，未来针对早期地球地壳起源的问题还可结合基础同位素理论、高温高压实验等其他技术手段共同解答.

图1 mL DGA树脂的淋滤曲线（修改自Wang and Carlson, 2022）

图2 全球代表性有太古宙岩石出露的地块的142Nd数据总结

文章刊登在《地球科学》第49卷第11期

王达, 2024. 146Sm⁃142Nd同位素制约早期地球的地壳起源. 地球科学, 49(11): 3879-3889. doi: 10.3799/dqkx.2024.101

Wang Da, 2024. 146Sm⁃142Nd Isotopic Constraints on the Origin of Earth's First Crust. Earth Science, 49(11): 3879-3889. doi: 10.3799/dqkx.2024.101

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