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石震,April 29, 2022
大陆作为地球固体外壳的最基本组成单元，与人类关系最为密切，长期受到地球科学界的广泛关注，大陆研究随着地球科学的进步而迅速发展。20世纪60年代，随着板块构造理论的建立，地球科学发生了前所未有的革命性变革与发展，运用板块构造观研究大陆，极大地丰富和促进了大陆构造的研究；然而，20世纪80年代以来，随着研究的深化，地球科学家们逐步认识到大陆不同于大洋板块，是具有复杂物质组成、结构构造，并经历了长期演化与改造的“拼盘”。迄今，难以用经典的板块构造理论全面认识和解释大陆的形成、演化及其动力学的所有问题，因此大陆问题迫切需要发展甚至超越板块构造理论并亟待建立以大陆的研究为切入点，能够合理概括大陆形成、演化及其动力学的新理论。
迄今多数研究认为，80%左右的现今大陆在中、新太古代已形成，而且以奥长花岗岩、云英闪长岩、花岗闪长岩（Trodjemite，Tonalite，Granodiorite,TTG）为重要组成特征。然而问题的关键是，这些岩石（TTG）何以被长期保存？目前的研究多数将其归因于大陆低密度，俯冲地壳中变质玄武岩熔融的产物，难以返回地幔。但是，越来越多的研究结果表明，低密度的大陆仍然是可以发生深俯冲的。因此，低密度是否是大陆得以保存的原因？究竟有多少大陆物质被俯冲？不同地质历史时期，大陆生长和保存的比例是多少？显然，大陆为何被长期保存演化，依然是有待深入研究的重要问题。杨林的报告从TTG入手，在简要介绍了TTG后，主要利用Si同位素证据探讨TTG的成因，从而制约早期大陆生长的机制。
早期大陆地壳主要由太古宙英云闪长岩－奥长花岗岩－花岗闪长岩（TTG）片麻岩组成，通常认为，它们是俯冲地壳中变质玄武岩熔融的产物。但是关于熔融是发生在浅层角闪岩相中还是发生在相对较深的榴辉岩相呢，存在一些争议。
熔化实验结果表明，不论是角闪岩熔融，还是榴辉岩熔融（包括含水和无水的榴辉岩），它们都能产生主量元素组成和TTG相似的熔体，因此单从主量元素角度区分到底是角闪岩熔融还是榴辉岩熔融是很困难的。所以，大家就从微量元素入手了，像矿物的熔体之间微量元素分配系数（Ds）、一些关键微量元素特征和微量元素比值，都被拿来的讨论TTG的成因。
Foley对Nb、Ta、Zr和Sm的分配系数Ds进行分析，提出角闪岩熔融模型。相较于Ta，角闪石优先结合Nb，角闪石中DNb大于DTa，所以他认为只有角闪石残余，才能将较低的Nb/Ta比传递给部分熔体，来解释了TTG中较Nb/Ta比低。
TTG除了有低的Nb/Ta比，它还有重稀土元素（HREE）亏损的特征，所以学术界又提出了榴辉岩熔融模型，用源区Nb/Ta低和石榴石残余来解释TTGNb/Ta比低和重稀土元素（HREE）亏损（图1）。
图1角闪岩熔融、无水榴辉岩熔融和含水榴辉岩熔融熔融过程（Xiong et al., 2006）
从这两个不同模型，我们就可以看出，仅仅关注少数几个微量元素可能无法确定TTG岩浆是如何产生的。太古宙TTG除Nb/Ta比值低和严重亏损重稀土元素外，还有富集不相容元素和Nb-Ta负异常。一个合格的模型应该尽可能满足所有的特征。
在角闪石熔融过程中，熔体中的Nb/Ta由角闪石的Mg#和Ti浓度控制，可以通过微探针分析使用以下表达式进行预测：ln（Amph/LDNb/Ta）=2.45-1.262Mg-0.84Ti,Amph/LDNb/Ta为角闪石与熔体的分配系数比。将该方程应用于角闪岩和橄榄岩的角闪石的Mg#作图之后，发现只有Mg#小于70的角闪石才能导致共存熔体中Nb/Ta含量较低，且随着角闪石Mg#的减少，分馏率增加。从图2中可以看出，这些低Mg#角闪石也能引起Nb/La和Zr/Sm之间的最大分馏。相比之下，含有Mg#>80%的角闪石，不能使共存的熔体产生低Nb/Ta，也不能引起低Nb/La。因此可以得出结论，TTG的微量元素特性，包括低Nb/Ta和Nb/La和高Zr/Sm，可以解释为在俯冲板片角闪岩的部分熔融，这里含低Mg#的角闪石，而不是融化富镁的角闪岩或较厚洋壳中榴辉岩的部分熔融。Nb和Ta与Zr的解耦以及Nb与Ta在低Mg#角闪石中的分离是Nb/Ta-Zr/Sm图3中产生的处于右下象限的熔体的最好的解释.
图2 角闪石的批式熔融可以产生低Nb/Ta和Zr/Sm（Stephen et al., 2002）
图3 Nb和Ta与Zr的解耦以及Nb与Ta在低Mg#角闪石中的分离（Stephen et al., 2002）
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。NatureGeoscience于2019年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52-57wt%和≥60wt%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（Andréetal., 2019）
一、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(Pringleetal.,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。
二、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4），即描述了熔体的硅同位素组成同SiO2含量间的相关关系。
图4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（Andréetal.,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（Andréetal.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（Savageetal.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5）。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（15-35wt%）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52-57wt%和≥60wt%）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5 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1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BarbertonBuckReef的其它燧石（白色三角形）以作比较。SiO2在52-57wt%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（Andréetal.,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（Dengetal.,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（BulksilicateEarth）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6）。
图6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（Dengetal.,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〉20kbar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〈8-10kbar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（图7）。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。
图7结合O和Si同位素来追踪热液或沉积加入结合。A表示从参考文献中的燧石数据集中选择的沉积燧石成分。B表示未受污染的玄武岩源，C表示低温热液二氧化硅在硅化片状岩脉中，D表示硅化辉长岩中的高温二氧化硅，E表示平均灰泥岩、砂岩和浊积岩以及本研究中的长英质岩石。F表示绿色和蓝色场的Si值，分别用于埃达克石和TTG。达克岩区域δ18O范围包括参考文献中的全岩δ18O值。（Dengetal.,2019）
（三）早期大陆地壳的起源——Ge/Si比率与硅同位素耦合的新线索（Andréetal., 2022）
人们普遍认为Ge是Si的“伪同位素”，因为它几乎完美地替代了硅酸盐晶格中的Si。这导致大多数硅酸盐岩石中Ge/Si摩尔比的变化有限，并解释了为什么在熔融和岩浆分异过程中Ge/Si比仅轻微分馏。这种相似性，再加上晶体岩石中锗的自然丰度低，使其几乎没有用于岩石学研究。然而，He等人（2019）证明了Ge与Si的相容性在硅酸盐之间有所不同。橄榄石、斜长石和石英的Ge/Si矿物/熔体交换系数小于1（按Ge不相容性递增的顺序），但石榴石、角闪石和黑云母大于1（按Ge相容性递增的顺序），而辉石有系数接近一个。因此，Ge-Si系统有可能发展成为一种有价值的地壳火成岩诊断示踪剂。Andréetal（2022）利用Ge普遍不愿进入相对于石榴石、闪石和云母的更高互连晶格硅酸盐（石英、长石），以便正确了解TTG和GMS的起源。
Ge(OH)4(aq)和Si(OH)4(aq)的形成焓和热容量之间的显着差异会导致在与硅酸盐平衡的流体中Ge/Si随温度发生较大变化（Pokrovski和Schott，1998年），导致低温流体和硅酸盐（例如粘土、蛋白石）中的大量Ge/Si分馏。这使得Ge/Si成为表壳流体相关Si循环的独特示踪剂。在富硅和含水特征中寻找导致花岗岩类原岩熔融的触发机制，以明确流体相和模式石英在花岗岩类岩石生成过程中各自的作用。Ge/Si可以作为硅同位素证据的补充指标！
因此，在多代理方法中将Ge/Si与δ30Si结合已被证明是一种有效的示踪剂，可用于约束各种近期和过去系统中的流体－岩石相互作用（例如，Delvigne等人，2016；Fernandez等人，2021）。此处应用两个代理的耦合来确定古太古代镁铁质火山岩在热液海底硅化之后的Ge/Si重置水平。
Ge/Si阶段性变化为地壳形成的地球动力学过程在3.0Ga左右的根本变化提供了证据。从同位素角度出发，支持洋壳玄武岩硅同位素对早期陆壳的形成机制研究有重要意义将Ge/Si和硅同位素手段耦合在Ge/Si显示出0.2~3.1μmol/mol的TTG样品上，揭示Ge/Si能够制约太古代岩石生长过程的优势（图8）。
图8相对于BGB TTGs和WASA数据，计算源中三种不同程度的初始锗耗尽[（Ge/Si）0在1.25、1.0和1.5]时的分数熔化模型（分别在编号为1、2、3的黑色方块中出现白色交叉）。开放的正方形、菱形和三角形表示海平面中部古含水层[（Ge/Si）0=1,25]或原岩中硅化变质玄武岩和非硅化变质玄武岩的较大部分[（Ge/Si）0分别为1和1.5]的各自来源的熔融成分（每5%的熔融分数，从5%到30%的熔融分数，随着熔融程度的增加，趋向于更高的Ge/Si）。
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