板块构造是地球区别于太阳系其他固体星球的重要特征之一。在现代板块构造体制下，地表物质很容易经由俯冲作用到达地壳深部或地幔，从而引发水等挥发分物质的深部再循环。然而，在地球演化的早期阶段，由于并不存在现代板块构造，因而识别地球早期地表物质的深循环对于我们理解古代板块构造在地球早期的演化非常重要。

为深入探索地球早期的动力学机制，37000cm威尼斯内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室王孝磊教授团队对南非Kaapvaal克拉通Barberton地区进行了多次野外科考工作。该区出露有典型的古太古代-中太古代花岗质岩石，且保存较为新鲜。该团队对本区32–34.6亿年前的“TTG岩石”（地球早期特征的花岗质岩石）进行系统的采样和室内分析，获取了该地区TTG岩石的同位素年代学和地球化学以及锆石原位微区氧同位素数据。这些新的数据揭示，地球早期地表物质深循环的启动可能与构造体制的转换有关。

研究团队对于南非Barberton地区的TTG岩石，进行了锆石矿物的离子探针U-Pb定年，确定这些花岗质岩石主要形成于3460–3420 Ma和3205–3265 Ma两个阶段（Ma指“百万年前”）。更进一步，研究者选择U-Pb体系封闭的锆石颗粒，进行离子探针原位氧同位素分析，发现大约以3230 Ma为界，该区TTG岩石中的锆石氧同位素组成（表示为δ18O值）发生了一次突变——该区>3230 Ma的TTG岩石中的锆石δ18O值都在地幔值的范围（5.3±0.6 ‰）内，平均值分布在5.07–6.02 ‰之间，而≤3230 Ma的TTG岩石中的锆石δ18O值基本在6 ‰以上，在5.95–7.08 ‰之间，甚至个别分析点的值接近8‰。研究者使用锆石激光拉曼光谱分析和累积辐射计算，认为这些氧同位素分析结果基本没有受到锆石放射性衰变的影响。因此可以相信，这种氧同位素变化是可靠的。

最近，Smithies et al. (2021, Nature)报道了29亿年前的氧同位素变化，而研究者此次观察到的氧同位素变化比这还要早。而且在格陵兰、澳大利亚和印度南部，都有类似的32亿年前氧同位素变化的痕迹，意味着这一时期的氧同位素变化应当具有一定的规模。进一步，该变化与Barberton地区页岩的三氧同位素突然下降（Bindeman et al. 2018, Nature）也一致。

氧同位素的升高是什么源区引起的？一种可能是地表的燧石和页岩。在古太古代，这些地表燧石和页岩的δ18O可达10‰以上，而这些≤3230 Ma的TTG岩石锆石氧同位素δ18O并没有高太多。显然，玄武质岩浆在海底喷发时与海水之间的低温热液蚀变，是升高其δ18O值的最可能机制。在约3230 Ma，这些玄武质地壳由于全球构造体制的改变（如俯冲作用的启动）而被带到地壳深部，在那里发生熔融就可以产生高δ18O的TTG岩石。研究团队发现，在这些TTG样品中，不只是δ18O发生了突变，全岩微量元素也发生了同步改变。≤3230 Ma的TTG岩石中稀土元素Dy/Yb的比值更高，意味着其源区有更多的石榴子石矿物残留，这说明其岩浆来源比>3230 Ma的TTG更深（>40 km）。本次工作发现的氧同位素升高是一个系统性的突变，在其他大陆也有记录，且对应于全球Re亏损模式年龄指示的克拉通化的生长，这首次有力的证明了，32亿年前地表物质成规模地深循环到>40 km的深度。

(A) 目前报道的TTG的锆石δ18O随年龄的分布图，小图展示本文数据的详细分布；(B) 典型显生宙大陆弧地区岩浆岩的锆石δ18O值变化；(C) TTG岩石的全岩Dy/Yb随年龄变化图；(D) 地幔Re亏损模式年龄(TRD)分布图展示在3230 Ma起有一个快速生长。

这种氧同位素的系统性升高是这样发生的：地表低温水岩反应使地表物质的δ18O升高，在3230 Ma左右这些物质被带到超过40 km深的地下，并发生熔融，孕育出新的TTG岩石，于是，这些新的、≤3230 Ma的TTG岩石中记录了高δ18O的同位素特征。

关于地球早期板块构造的启动时间和机制，还存在较大的争议。目前的研究表明，当时的地幔温度较高，古代板块构造如果存在，应是以暖俯冲（不同于现今的冷的板片俯冲）的形式进行。俯冲的洋壳本身就很厚，然后在汇聚板块边缘进一步加厚（类似于大陆碰撞带）。当加厚到一定程度时，沿加厚的边缘出现重力不稳定，导致根部发生拆沉，结果引起深部低温蚀变玄武质洋壳发生部分熔融，产生高δ18O的TTG岩石。因此，TTG岩石的源岩产生在发散板块边缘的洋中脊，而形成TTG岩石的位置是汇聚板块边缘。产生TTG的这个两阶段机制可能最早出现在始太古代（约40亿年前），并一直持续到晚太古代。

古太古代和中太古代时期TTG形成的模式简图。 

如今，地表物质深循环常发生于俯冲带边缘。但是Barberton的这一32亿年前的地表物质深循环与今不同，有着不同的诱发机制，可能是早期的一种特殊形式，可称为“原始俯冲”。由于早期地球的地幔温度更高，这种俯冲不能持续太久，可能是间歇的幕式出现的，这可能也是TTG岩石时代不连续的一个重要原因。这种原始俯冲可以使得地表的挥发分进入地球内部，并由于水的润滑作用推动正常俯冲的逐渐产生。

相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。37000cm威尼斯王孝磊教授为该论文第一作者和通讯作者，北京大学唐铭研究员、法国里昂大学J.F. Moyen教授、德国美因茨大学A. Kröner教授（2019年逝世）、英国布里斯托大学C. J. Hawkesworth教授、中科院广州地球化学研究所夏小平研究员、中国地质科学院颉颃强研究员、南非威特沃特斯兰德大学C. R. Anhaeusser教授、南非约翰内斯堡大学A. Hofmann教授参与该论文工作，合作作者还包括37000cm威尼斯王迪博士和博士研究生李军勇、李林森。该研究得到基金委杰出青年基金、中央高校基本科研基金、内生金属矿床国家重点实验室等的资助。 

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The onset of deep recycling of supracrustal materials at the Paleo-Mesoarchean boundary

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab136