中国科大金属稳定同位素实验室 GPL | 稳定Sr同位素指示南非卡普瓦尔克拉通陆壳起源于富水熔融

1.研究背景

地球是太阳系中唯一大规模发育长英质陆壳的行星。厘清陆壳形成机制是理解地球壳幔分异、宜居性形成及类地行星差异性演化的核心。水在部分熔融中的作用被视为决定性因素(Collins et al., 2020)。水可显著降低岩石固相线温度、提高熔体产量并降低熔体黏度(Schulze et al., 1996)，从而深刻影响残留矿物组合、熔体成分及其分异路径。根据熔融过程中水的参与方式，前人提出了两种端元模型：“富水熔融”与“贫水熔融”

2.研究方法

精确识别陆壳形成过程中的部分熔融机制(富水vs.贫水熔融)仍面临诸多困难(Schwindinger et al., 2019)。实验岩石学表明，斜长石的稳定性与结晶行为对熔体含水量极为敏感：富水熔融抑制斜长石的结晶，贫水熔融促进其结晶(Beard and Lofgren, 1991; Villiger et al., 2004; Pichavant and Macdonald, 2007; Zimmer et al., 2010; Müntener and Ulmer, 2018)。长石是岩浆系统Sr的主要载体。近期研究进一步揭示，斜长石相对全岩富集重Sr同位素，钾长石相对富集轻Sr同位素，其结晶或残留行为能够导致显著稳定Sr同位素分馏(Charlier et al., 2012; Klaver et al., 2020; Chen et al., 2025)。这一认识使稳定Sr同位素成为示踪岩浆作用过程中长石行为的有效指标，为陆壳富水或贫水熔融来源提供了新的视角。

3.科学问题

Liu et al. (2017)指出，显生宙有含水地幔柱(hydrous mantle plume)。但早期地球是否存在含水地幔柱，能否在镁铁质大洋高原内富水熔融形成陆壳？这一问题直接关系到早期陆壳形成是否需要现代俯冲，还是可在富水大洋高原内生成。卡普瓦尔克拉通(Kaapvaal craton)是研究太古宙陆壳形成演化的经典地区之一，出露岩石类型齐全且保存良好。岩石组合、地球化学和古地磁证据表明，早太古代该地区处于大洋高原构造背景(Hoffmann et al., 2016; Brenner et al., 2026)。

中国科学技术大学金属稳定同位素实验室黄方教授课题组，选取南非卡普瓦尔克拉通3.42–3.47 Ga萨韦拉片麻岩(Tsawela Gneiss, TG;中粗粒英云闪长质-奥长花岗质片麻岩，弱变形，新鲜; Hoffmann et al., 2016)，开展了高精度的稳定Sr同位素分析，结合地球化学和相平衡模拟，旨在回答以下两个关键问题：(1)TG样品形成过程中斜长石的行为特征如何？(2)稳定Sr同位素能否为区分富水与贫水熔融提供制约？

4.研究结果

TG样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.723139–0.773669，计算的(⁸⁷Sr/⁸⁶Sr)_t = 0.69799–0.71722，δ⁸⁸Sr = 0.25 ± 0.07‰，与BSE组成(0.27 ± 0.05 ‰, Moynier et al., 2010; 0.29 ± 0.07 ‰, Charlier et al., 2012; 0.30 ± 0.02 ‰, Amsellem et al., 2018)一致。

图1. TG样品的稳定Sr同位素组成。

5.讨论

5.1. 什么控制了TG样品的稳定Sr同位素组成？

研究表明，自古太古代以来，地幔储库稳定Sr同位素组成保持一致，且在镁铁质岩浆形成过程中，稳定Sr同位素分馏有限(<0.1‰)(Amsellem et al., 2018)。在本研究中，TG片麻岩的δ⁸⁸Sr = 0.25 ± 0.07‰，与BSE组成一致，且未受化学风化等过程。TG样品的稳定Sr同位素组成不随SiO₂、Sr含量或Eu异常变化而变化(图1)。表明TG的稳定Sr同位素继承自源区，在岩浆冷却过程中未经历显著的斜长石结晶。瑞利分馏模拟也表明(图2)，10 wt.%斜长石分离结晶，会导致残余熔体稳定Sr同位素降低至0.14‰(α_Pl-Melt = 1.0003, Chen et al., 2025b)或0.00‰(α_Pl-Melt = 1.0007, Charlier et al., 2012)，与观测结果不符。因此斜长石不是重要的熔融残留相或者结晶分异相。

图2. 斜长石瑞利分馏模拟，步长10 wt. %。

然而，TG样品的Sr含量随SiO₂含量升高而降低，Sr含量可能继承自不均一的源区。这与TG全岩Hf-Nd和初始⁸⁷Sr/⁸⁶Sr不均一，以及该地区绿岩带中基性岩Sr含量变化大(25–250 ppm)一致。

5.2. 富水熔融作用

实验模拟和自然观测表明，熔体中斜长石的结晶行为受水含量控制(Beard and Lofgren, 1991; Müntener and Ulmer, 2018)。富水熔体的聚合度比较低(Stolper, 1982)，斜长石聚合度较高，因此斜长石的结晶受到抑制，斜长石结晶晚、分异弱(Müntener and Ulmer, 2018)，源区熔融时斜长石易于进入熔体，这导致熔体相对富Al₂O₃，熔体稳定Sr同位素接近源区，具有钙碱性演化趋势(Beard and Lofgren, 1991)，这些特征与研究的TG片麻岩地球化学特征一致。贫水熔融时，斜长石在部分熔融时易作为残留相，且熔体中斜长石容易早期结晶，因此稳定Sr同位素分馏会相对显著。

热力学模拟评估了不同组成(低硅、高硅)的熔体冷却过程中，水含量(2、4、8 wt. %)对斜长石和角闪石液相线温度影响。结果表明，在压力P = 8 kbar时，随熔体水含量升高，斜长石液相线温度逐渐降低并趋于750°C，而角闪石液相线温度则随着熔体水含量升高至~1050°C，与实验结果一致。且在不同的熔体组成(低硅、高硅)、不同压力条件下(4–10 kbar，中下地壳深度)，水含量对斜长石和角闪石的液相线温度均具有重要作用 (图3)。

图3. 不同全岩组成、水含量和压力(4–10 kbar)条件，岩浆冷却过程斜长石和角闪石的液相线温度。

尽管熔体快速冷却也可能抑制斜长石结晶分异，但是样品的中粗粒结构排除了快速冷却过程。高压会抑制斜长石结晶，但熔体Sr/Y和La/Yb比值等表明，研究样品属于低压TTG类型。另外可能是岩浆的密度或黏度抑制了斜长石分异，但研究样品缺乏堆晶特征，排除了该可能性。综上表明，TG片麻岩来自于富水熔融过程。

5.3. 构造意义

稳定Sr同位素数据为TG片麻岩富水熔融来源提供了有力约束，为理解早期大陆地壳的形成环境提供了新的视角。本研究表明，大洋高原富水熔融在早期陆壳形成过程中发挥了关键作用，该结果区别于传统认识。传统观点通常认为，镁铁质高原深部是贫水的(Roman and Arndt, 2020)。水降低了熔融温度，促进了岩浆钙碱性分异，驱使残余熔体快速向富硅、富碱方向演化，高效率地产生大量花岗质岩石(Jagoutz et al., 2013)。水可能来自于蚀变科马提岩脱水或者地幔深部高温流体(Liu et al., 2017; Tamblyn et al., 2023)。

图4. 大洋高原富水熔融示意图。

论文信息

相关成果以“Fluid-present melting of early Archean crust: Stable Sr isotopes from the Kaapvaal Craton”为题，近期发表于国际学术期刊Geochemical Perspectives Letters。论文第一作者中国科大特任副研究员张成伟，通讯作者丁昕副研究员，合作者包括德国柏林自由大学J.E. Hoffmann教授，以及中国科大陈栩琦博士和黄方教授。作者感谢成都理工大学行星科学国际研究中心李春辉副研究员。本研究得到国家自然科学基金(42403002)资助。J.E. Hoffmann感谢德国研究联合会的支持(HO 4697/1-1, HO 4697/1-2)。

Zhang, C.W., Hoffmann, J.E., Ding, X.(*), Chen, X.Q., Huang, F., 2026. Fluid-present melting of early Archean crust: Stable Sr isotopes from the Kaapvaal Craton. Geochemical Perspectives Letters, 42, 1-6, https://doi.org/10.7185/geochemlet.2634

参考文献

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作者：张成伟

编辑：胡邺丹

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