板塊俯沖作用可以使地表物質(zhì)向下，到達(dá)地殼深部或地幔，從而引發(fā)水等揮發(fā)分物質(zhì)的深部再循環(huán)。然而在地球演化的早期階段，并不存在現(xiàn)代的板塊構(gòu)造。在那時(shí)，地表物質(zhì)是如何運(yùn)動(dòng)、演化的？是否也存在“地表物質(zhì)深循環(huán)”？

為深入探索地球早期的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，南京大學(xué)內(nèi)生金屬礦床成礦機(jī)制研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王孝磊教授團(tuán)隊(duì)對南非Kaapvaal克拉通Barberton地區(qū)進(jìn)行了多次野外科考工作。該區(qū)出露有典型的古太古代-中太古代花崗質(zhì)巖石，且保存較為新鮮。該團(tuán)隊(duì)對本區(qū)32–34.6億年前的“TTG巖石”（地球早期特征的花崗質(zhì)巖石）進(jìn)行系統(tǒng)的采樣和室內(nèi)分析，獲取了該地區(qū)TTG巖石的同位素年代學(xué)和地球化學(xué)以及鋯石原位微區(qū)氧同位素?cái)?shù)據(jù)。這些新的數(shù)據(jù)揭示，地球早期地表物質(zhì)深循環(huán)的啟動(dòng)可能與構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換有關(guān)。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學(xué)評論》（National Science Review, NSR）。

發(fā)現(xiàn)：TTG鋯石氧同位素組成的突變

鋯石是花崗質(zhì)巖石中常見的副礦物，也是U-Pb同位素定年的重要對象，而且，其形成時(shí)所記錄的巖漿氧同位素組成也可被有效保存。目前，對地球形成最初5億年歷史的研究也大多從鋯石中獲得。

對于南非Barberton地區(qū)的TTG巖石，研究者對其中的鋯石進(jìn)行離子探針U-Pb定年，確定這些花崗質(zhì)巖石主要形成于3460–3420 Ma和3205–3265 Ma兩個(gè)階段（Ma指“百萬年前”）。

更進(jìn)一步，研究者選擇U-Pb體系封閉的鋯石顆粒，進(jìn)行離子探針原位氧同位素分析，發(fā)現(xiàn)大約以3230 Ma為界，該區(qū)TTG巖石中的鋯石氧同位素組成（表示為δ¹⁸O值）發(fā)生了一次突變——

l >3230 Ma，δ¹⁸O與地幔值的范圍（5.3±0.6 ‰）內(nèi)，平均值分布在5.07–6.02 ‰之間；

l ≤3230 Ma，δ¹⁸O更高，基本在6 ‰以上，位于5.95–7.08 ‰之間，個(gè)別分析點(diǎn)的值甚至接近8‰。

這一突變從何而來？是否受到了其他因素的影響？>3230 Ma和≤3230 Ma的TTG巖石侵位深度相似、圍巖相同，可以排除地殼混染對氧同位素變化的影響。研究者又使用鋯石激光拉曼光譜分析和累積輻射計(jì)算，認(rèn)為這些氧同位素分析結(jié)果基本沒有受到鋯石放射性衰變的影響。因此可以相信，這種氧同位素變化是可靠的。

啟示：地表物質(zhì)深循環(huán)在32億年前就已出現(xiàn)

在這些TTG樣品中，不只是δ¹⁸O發(fā)生了突變，全巖微量元素也發(fā)生了同步改變。≤3230 Ma的TTG巖石中稀土元素Dy/Yb的比值更高，意味著其源區(qū)有更多的石榴子石礦物殘留，這說明其巖漿來源比>3230 Ma的TTG更深（>40 km）。

綜合上述信息，研究者認(rèn)為這種氧同位素的系統(tǒng)性升高是這樣發(fā)生的：地表低溫水巖反應(yīng)使地表物質(zhì)的δ¹⁸O升高，在3230 Ma左右這些物質(zhì)被帶到超過40 km深的地下，并發(fā)生熔融，孕育出新的TTG巖石，于是，這些新的、≤3230 Ma的TTG巖石中記錄了高δ¹⁸O的同位素特征。

最近，Smithies et al. (2021,Nature)報(bào)道了29億年前的氧同位素變化，而研究者此次觀察到的氧同位素變化比這還要早。而且在格陵蘭、澳大利亞和印度南部，都有類似的32億年前氧同位素變化的痕跡，意味著這一時(shí)期的氧同位素變化應(yīng)當(dāng)具有一定的規(guī)模。進(jìn)一步，該變化與Barberton地區(qū)頁巖的三氧同位素突然下降（Bindeman et al. 2018,Nature）也一致。

機(jī)制：低溫?zé)嵋何g變的鎂鐵質(zhì)洋殼發(fā)生部分熔融

“沉”入地下，并引起氧同位素升高的是哪一種巖石？

一種可能是地表的燧石和頁巖。在古太古代，這些地表燧石和頁巖的δ¹⁸O可達(dá)10‰以上，而這些≤3230 Ma的TTG巖石鋯石氧同位素δ¹⁸O并沒有高太多。顯然，玄武質(zhì)巖漿在海底噴發(fā)時(shí)與海水之間的低溫?zé)嵋何g變，是升高其δ¹⁸O值的最可能機(jī)制。在約3230 Ma，這些玄武質(zhì)地殼由于全球構(gòu)造體制的改變（如俯沖作用的啟動(dòng)）而被帶到地殼深部，在那里發(fā)生熔融就可以產(chǎn)生高δ¹⁸O的TTG巖石。

之前曾有報(bào)道稱，在冥古宙碎屑鋯石中也測到了高δ¹⁸O值。如果這些測量結(jié)果可信，那么這種高δ¹⁸O值可能同樣反映著地表物質(zhì)的再循環(huán)。這種再循環(huán)可能是偶爾的局部發(fā)生的，不具大區(qū)域或者全球的特征。而且，這些碎屑鋯石僅以礦物單晶出現(xiàn)，缺乏全巖的元素地球化學(xué)資料，也就無法準(zhǔn)確限定再循環(huán)后發(fā)生熔融的深度。

與冥古宙的情況不同，本次工作發(fā)現(xiàn)的氧同位素升高是一個(gè)系統(tǒng)性的突變，在其他大陸也有記錄，且對應(yīng)于全球Re虧損模式年齡指示的克拉通化的生長，這首次有力地證明了，32億年前地表物質(zhì)成規(guī)模地深循環(huán)到>40 km的深度。

模型：地球早期的原始俯沖與花崗巖的產(chǎn)生

關(guān)于地球早期板塊構(gòu)造的啟動(dòng)時(shí)間和機(jī)制，還存在較大的爭議。目前的研究表明，當(dāng)時(shí)的地幔溫度較高，古代板塊構(gòu)造如果存在，應(yīng)是以暖俯沖（不同于現(xiàn)今的冷的板片俯沖）的形式進(jìn)行。俯沖的洋殼本身就很厚，然后在匯聚板塊邊緣進(jìn)一步加厚（類似于大陸碰撞帶）。當(dāng)加厚到一定程度時(shí)，沿加厚的邊緣出現(xiàn)重力不穩(wěn)定，導(dǎo)致根部發(fā)生拆沉，結(jié)果引起深部低溫蝕變玄武質(zhì)洋殼發(fā)生部分熔融，產(chǎn)生高δ¹⁸O的TTG巖石。因此，TTG巖石的源巖產(chǎn)生在發(fā)散板塊邊緣的洋中脊，而形成TTG巖石的位置是匯聚板塊邊緣。產(chǎn)生TTG的這個(gè)兩階段機(jī)制可能最早出現(xiàn)在始太古代（約40億年前），并一直持續(xù)到晚太古代。

在今天，地表物質(zhì)深循環(huán)常發(fā)生于俯沖帶邊緣。但是Barberton的這一地表物質(zhì)深循環(huán)與此不同，有著不同的誘發(fā)機(jī)制，可能是早期的一種特殊形式，可稱為“原始俯沖”。由于早期地球的地幔溫度更高，這種俯沖不能持續(xù)太久，可能是間歇的幕式出現(xiàn)的，這可能也是TTG巖石時(shí)代不連續(xù)的一個(gè)重要原因。這種原始俯沖可以使得地表的揮發(fā)分進(jìn)入地球內(nèi)部，并由于水的潤滑作用推動(dòng)正常俯沖的逐漸產(chǎn)生。

南京大學(xué)王孝磊教授為該論文第一作者和通訊作者，北京大學(xué)唐銘研究員、法國里昂大學(xué)J.F. Moyen教授、德國美因茨大學(xué)A. Kr?ner教授（2019年仙逝）、英國布里斯托大學(xué)C. J. Hawkesworth教授、中科院廣州地球化學(xué)研究所夏小平研究員、中國地質(zhì)科學(xué)院頡頏強(qiáng)研究員、南非威特沃特斯蘭德大學(xué)C. R. Anhaeusser教授、南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)A. Hofmann教授參與該論文工作，合作作者還包括南京大學(xué)王迪博士和博士研究生李軍勇、李林森。