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Nature Geoscience:晶体-熔体的分离作用控制着地球最古老TTG质陆壳的形成
2020-03-02 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  板块构造是控制地球圈层分异、壳幔相互作用、地表海陆分布格局以及生命和环境协同演化的一级构造因素它以发育洋中脊和俯冲带为重要特征,现今陆壳由于具有与俯冲带岩浆岩相似的地球化学特征,通常认为其形成是板块构造活动的必然结果,因此解析陆壳成因对了解板块构造形成过程具有重要意义。与现今陆壳广泛发育的石英二长岩、二长花岗岩与钾长花岗岩等富钾花岗岩类不同,地球早期(>30亿年)陆壳主要以英云闪长岩(Tonalite-奥长花岗岩(Trondhjemite-花岗闪长岩(Granodiorite)等富钠花岗岩套(TTGs)为主。这些地球早期的TTG质陆壳是否形成于俯冲带环境,进而预示着板块构造的存在?这是当前固体地球科学领域重要的前沿科学问题。 

  通过大数据统计分析发现,TTG岩石根据地球化学特征的差异可以分为三类,即低压型(<1.0 GPa)、中压型(1-1.5 GPa)和高压型(>1.5 GPa(Moyen, 2011)。低压和中压型TTG岩石可以由太古宙正常厚度(20-40 km)的镁铁质地壳直接部分熔融产生,而高压型TTG的形成条件则达到了地幔深度,这与现今地球上的热俯冲带环境类似,因此,高压型TTG质岩石被认为是太古宙高地温梯度下板块俯冲的产物。然而这一推论的重要前提假设是TTG质侵入岩的全岩地球化学成分真实的代表了原始母岩浆熔体的成分。如果后期岩浆分异作用明显改变了侵入岩结晶时熔体的成分,那么上述基于TTG岩石全岩地球化学特征判断地球动力学过程的前提将不复存在。 

  近年来,针对显生宙中酸性岩浆的研究发现,尽管具有较高的粘滞度,中酸性岩浆仍可经历明显的晶体-熔体分离作用形成地球化学特征差异显著的花岗岩与酸性火山岩(e.g., Bachmann and Bergantz, 2004; Wu et al., 2020)。那么地球早期是否也存在类似的中酸性岩浆分异过程呢?晶体-熔体的分离作用对太古宙TTG质陆壳的形成又产生了哪些影响? 

  瑞士苏黎世联邦理工大学的Laurent博士及其合作者对南非巴伯顿花岗-绿岩地体中TTG质花岗岩类和酸性火山岩开展了详细研究,以期探讨晶体-熔体分离作用对TTG质陆壳形成的影响,成果近期发表于(Laurent et al., 2020)他们的工作概括如下: 

  1) 详细的岩相学图像扫描与矿物成分分析判定TTG岩套具有堆晶结构(图1); 

  2) 精细的石英LA-ICP-MS熔体包裹体分析揭示了演化熔体成分(图1); 

  3) 高精度CA-ID-TIMS锆石U-Pb年代学分析与LA-MC-ICP-MS Hf同位素分析论述了TTG岩套与酸性火山岩的同时和同源性(图2); 

  4) 系统的模拟计算证明晶体堆积以及晶体和演化熔体的不同比例混合可以表征TTG岩套,特别是高压型TTG岩套的主要地球化学特征(图3)。 

1 奥长花岗岩薄片正交偏光、矿物相和斜长石An牌号SEM-EDS扫描图与酸性火山岩石英斑晶中熔体包裹体镜下照片以及主量元素成分Q-Ab-Or图(Laurent et al., 2020) 

2 奥长花岗岩与酸性火山岩CA-ID-TIMS锆石U-Pb年龄与LA-MC-ICP-MS锆石Hf同位素结果(Laurent et al., 2020) 

3 晶体-熔体分离作用地球化学模拟结果与实测奥长花岗岩和酸性火山岩成分对比(Laurent et al., 2020) 

  基于以上工作,作者认为高压型TTG岩套的全岩成分明显受控于晶体-熔体的分离作用,因此不具有构造指示意义,不能作为板块俯冲存在的证据。总而言之,该工作提出并详细论述了一个全新的地球早期TTG岩套的成因模式,也为太古宙陆壳形成与演化研究提供了一个全新的视角。该研究中所采取的方法学也非常值得其他地区的研究者学习借鉴。然而,正如研究者本人所指出的那样,该模型也并非尽善尽美,仍有很多开放的问题值得深入探讨,如:形成TTG的中酸性母岩浆是如何产生的?如果中酸性母岩浆源自含水镁铁质岩浆的分异作用,那么含水镁铁质岩浆中的水又来自何方?对岩浆水的来源进行精确限定可能更有利于判断板块构造的起始过程。 

  此外,该文的模型计算过程采用了巴伯顿地区的闪长岩和英云闪长岩作为中性母岩浆初始结晶的产物,然而这些中性岩石与酸性岩的同时和同源性并没有在本文中得到论证。事实上,已有部分的研究成果表明二者并不同源,形成时代存在2亿年的差距Wang et al., 2019。如果闪长岩和英云闪长岩基本代表母岩浆的话,那么这些岩石中展现出来的高压型TTG岩套的地球化学特征将不能用晶体-熔体分离作用解释,此外,残余熔体的抽提需要额外的热源,然而在研究区并未发现具有高温特征的中上地壳岩石,模型所预测的富钾花岗斑岩也并未被发现,这都是该模型目前无法解释的问题。无论怎样,这仍是一个新颖的,具有挑战性的岩石成因模型,仍有诸多方面值得我们去证实或者证伪。     

  主要参考文献 

  Bachmann O, Bergantz G W. On the origin of crystal-poor rhyolites: extracted from batholithic crystal mushes[J]. Journal of Petrology, 2004, 45(8): 1565-1582. 

  Laurent O, Bjornsen J, Wotzlaw J F, et al. Earth’s earliest granitoids are crystal-rich magma reservoirs tapped by silicic eruptions[J]. Nature Geoscience, 2020, 13: 163-169. 

  Moyen J F. The composite Archaean grey gneisses: petrological significance, and evidence for a non-unique tectonic setting for Archaean crustal growth[J]. Lithos, 2011, 123(1-4): 21-36. 

  Wang H, Yang J H, Kr?ner A, et al. Non‐subduction origin for 3.2 Ga high‐pressure metamorphic rocks in the Barberton granitoid‐greenstone terrane, South Africa[J]. Terra Nova, 2019, 31(4): 373-380. 

  Wu F Y, Liu X C, Liu Z C, et al. Highly fractionated Himalayan leucogranites and associated rare-metal mineralization[J]. Lithos, 2020, 352: 105319. 

(撰稿:/岩石圈室)

 
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