王浩等GCA碎屑锆石揭示Kaapvaal克拉通太古宙地壳生长与改造过程

　　陆壳的形成与演化过程研究一直是固体地球科学的热点之一(Rudnick and Gao, 2003)。一方面，大陆地壳是陆生生物繁盛的基础，维持了当今人类生存的家园，提供了人类活动最主要的矿产资源；另一方面，大陆地壳的形成与板块构造的活动有着密切的联系，揭秘大陆地壳的成因对了解板块构造的启动和演化过程具有重要意义。由于大陆地壳与现今俯冲带岩浆岩具有极为类似的微量元素特征，因此通常认为在元古宙和显生宙时期大陆地壳主要形成于俯冲带的洋弧或者陆弧环境(Jagoutz and Kelemen, 2015)，然而太古宙大陆地壳以何种方式形成于何种环境却是个存在很大争议的问题。一般认为地球自形成以来经历了缓慢降温过程，而板块构造作为一种特殊的能量耗散方式是地球降温至某一临界点时才会出现的产物，因此很多地质学家认为地球上板块构造的出现大概发生在35-30亿年左右。在地球历史的这一关键转折期，地壳是如何形成和演化的？是否有一个全球同步的构造事件控制着此时的地壳形成与演化？这些都是非常令人着迷的科学问题。
　　地壳的生长与再造通常可以被锆石这种难熔且不易被改造的矿物所记录。锆石的U-Pb定年是研究最成熟和最成功的同位素年代学体系，而锆石富Hf和相对贫Lu的特性也决定了锆石是Lu-Hf同位素示踪的理想对象。锆石O同位素可以用来揭示其母岩浆源区是否存在表壳物质的加入，而锆石的微量元素可以用来计算其母岩浆的成分特征、氧逸度和形成温压条件。整合锆石的这些微量元素和同位素信息可以详细探讨大陆地壳的形成与演化过程。而且河流碎屑沉积物中的锆石可以汇集大范围地壳剥露区的平均信息，因此通过碎屑锆石研究大陆地壳的形成与演化过程可以使得研究对象大大简化。
　　南非Kaapvaal克拉通是地球上太古宙陆壳出露最好的地区之一。在Kaapvaal克拉通的陆核地区（即巴伯顿花岗-绿岩带和斯威士兰古老片麻岩杂岩）保存有36-30亿年完整连续的地质记录，是揭示太古宙关键转折期大陆地壳生长与再造方式的理想场所(Wang et al., 2020)。为此，中科院地质与地球物理研究所杨进辉研究团队的王浩副研究员等人对这一地区现代河流沉积物和古老沉积岩中碎屑锆石开展了详细的U-Pb年代学、Lu-Hf-O同位素以及微量元素分析，并通过总结前人资料得出如下认识：
　　（1）Inyoka断层原被认为是古太古代缝合带，但其两侧的Moodies砂岩具有类似的碎屑锆石年龄谱，都指示更古老的绿岩带内酸性火山岩和周围TTG质花岗岩是这些碎屑锆石的主要物源；
　　（2）根据这些碎屑锆石的微量元素特征和Turner等提出的方法(Turner et al., 2020)计算获得这些碎屑锆石的母岩应该具有安山质成分（图1），这与碎屑锆石年代学和Lu-Hf同位素所揭示的结果不一致，指示Turner等提出的基于碎屑锆石微量元素判断母岩成分的方法值得商榷；
　　（3）综合碎屑锆石U-Pb年龄谱和岩浆岩年代学结果揭示Kaapvaal克拉通在太古宙时存在四期主要的岩浆活动，分别发生在35.2亿年，34.6亿年，32.6亿年以及31亿年。而锆石Hf同位素和全岩Nd同位素显示Kaapvaal克拉通的地壳生长主要发生在约35亿年，之后Kaapvaal克拉通经历了长期的地壳改造过程，而碎屑锆石O同位素则显示在32.5亿年之后Kaapvaal克拉通表壳岩开始大量再循环进入深部地壳发生部分熔融，形成新的花岗岩（图2）；
　　（4）通过总结全球主要克拉通的数据发现，锆石Hf-O同位素变化在不同克拉通的发生时间不一致，表现形式也不一样。因此不能作为全球性现代板块构造启动的标志。Hf-O同位素组成随时间的变化应结合区域地质背景进行解释。就南非Kaapvaal克拉通而言，Hf-O同位素在古太古代的变化可能是地壳在不同深度发生对流翻转的结果，32.5亿年前的地壳再造主要是通过下地壳拆沉作用实现，而32.5亿年之后的地壳再造可能是由长英质中地壳和镁铁质上地壳在重力失稳条件下发生部分对流翻转（partial convective overturn）完成的。
　　图1 Kaapvaal克拉通内与太古宙锆石平衡熔体的化学成分演化特征
　　图2 Kaapvaal克拉通太古宙碎屑锆石U-Pb年龄谱、Lu-Hf同位素、O同位素以及全岩Nd同位素特征
　　研究成果发表于国际学术期刊GCA。（王浩,杨进辉,朱昱升,黄超, 许蕾,吴石头,刘宇. Archean crustal growth and reworking revealed by combined U-Pb-Hf-O isotope and trace element data of detrital zircons from ancient and modern river sediments of the eastern Kaapvaal Craton[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2022. DOI:10.1016/j.gca.2021.12.025.）研究得到中科院先导专项（XDB41000000），国家自然科学基金（41973035和41688103），青促会基金（2020068）以及岩石圈演化国家重点实验室资助课题（SKL-Z201901-YT）资助。
　　美编：傅士旭
　　校对：王海波