Nature Geoscience：晶體-熔體的分離作用控制著地球最古老TTG質陸殼的形成
板塊構造是控制地球圈層分異、殼幔相互作用、地表海陸分佈格局以及生命和環境協同演化的一級構造因素，它以發育洋中脊和俯衝帶為重要特徵，現今陸殼由於具有與俯衝帶岩漿岩相似的地球化學特徵，通常認為其形成是板塊構造活動的必然結果，因此解析陸殼成因對了解板塊構造形成過程具有重要意義。
與現今陸殼廣泛發育的石英二長巖、二長花崗岩與鉀長花崗岩等富鉀花崗岩類不同，地球早期（>30億年）陸殼主要以英雲閃長巖（Tonalite）-奧長花崗岩（Trondhjemite）-花崗閃長巖（Granodiorite）等富鈉花崗岩套（TTGs）為主。這些地球早期的TTG質陸殼是否形成於俯衝帶環境，進而預示著板塊構造的存在？這是當前固體地球科學領域重要的前沿科學問題。
通過大數據統計分析發現，TTG岩石根據地球化學特徵的差異可以分為三類，即低壓型（<1.0GPa）、中壓型（1-1.5GPa）和高壓型（>1.5GPa）(Moyen, 2011)。低壓和中壓型TTG岩石可以由太古宙正常厚度（20-40km）的鎂鐵質地殼直接部分熔融產生，而高壓型TTG的形成條件則達到了地幔深度，這與現今地球上的熱俯衝帶環境類似，因此，高壓型TTG質岩石被認為是太古宙高地溫梯度下板塊俯衝的產物。然而這一推論的重要前提假設是TTG質侵入岩的全巖地球化學成分真實地代表了原始母岩漿熔體的成分。如果後期岩漿分異作用明顯改變了侵入岩結晶時熔體的成分，那麼上述基於TTG岩石全巖地球化學特徵判斷地球動力學過程的前提將不復存在。
近年來，針對顯生宙中酸性岩漿的研究發現，儘管具有較高的粘滯度，中酸性岩漿仍可經歷明顯的晶體-熔體分離作用形成地球化學特徵差異顯著的花崗岩與酸性火山岩(e.g., Bachmann and Bergantz, 2004; Wu et al., 2020)。那麼地球早期是否也存在類似的中酸性岩漿分異過程呢？晶體-熔體的分離作用對太古宙TTG質陸殼的形成又產生了哪些影響？
瑞士蘇黎世聯邦理工大學的Laurent博士及其合作者對南非巴伯頓花崗-綠巖地體中TTG質花崗岩類和酸性火山岩開展了詳細研究，以期探討晶體-熔體分離作用對TTG質陸殼形成的影響，成果近期發表於Nature Geoscience(Laurent et al., 2020)。他們的工作概括如下：
1）詳細的巖相學圖像掃描與礦物成分分析判定TTG巖套具有堆晶結構（圖1）；
2）精細的石英LA-ICP-MS熔體包裹體分析揭示了演化熔體成分（圖1）；
3）高精度CA-ID-TIMS鋯石U-Pb年代學分析與LA-MC-ICP-MS鋯石Hf同位素分析論述了TTG巖套與酸性火山岩的同時和同源性（圖2）；
4）系統地模擬計算證明晶體堆積以及晶體和演化熔體的不同比例混合可以表徵TTG巖套，特別是高壓型TTG巖套的主要地球化學特徵（圖3）。
圖1 奧長花崗岩薄片正交偏光、礦物相和斜長石An牌號SEM-EDS掃描圖與酸性火山岩石英斑晶中熔體包裹體鏡下照片以及主量元素成分Q-Ab-Or圖(Laurent et al., 2020)
圖2 奧長花崗岩與酸性火山岩CA-ID-TIMS鋯石U-Pb年齡與LA-MC-ICP-MS鋯石Hf同位素結果(Laurent et al., 2020)
圖3 晶體-熔體分離作用地球化學模擬結果與實測奧長花崗岩和酸性火山岩成分對比(Laurent et al., 2020)
基於以上工作，作者認為高壓型TTG巖套的全巖成分明顯受控於晶體-熔體的分離作用，因此不具有構造指示意義，不能作為板塊俯衝存在的證據。總而言之，該工作提出並詳細論述了一個全新的地球早期TTG巖套的成因模式，也為太古宙陸殼形成與演化研究提供了一個全新的視角。該研究中所採取的方法也非常值得其他地區的研究者學習借鑑。然而，正如研究者本人所指出的那樣，該模型也並非盡善盡美，仍有很多開放的問題值得深入探討，如：形成TTG的中酸性母岩漿是如何產生的？如果中酸性母岩漿源自含水鎂鐵質岩漿的分異作用，那麼含水鎂鐵質岩漿中的水又來自何方？對岩漿水的來源進行精確限定可能更有利於判斷板塊構造的起始過程。
此外，該文的模型計算過程採用了巴伯頓地區的閃長巖和英雲閃長巖作為中性母岩漿初始結晶的產物，然而這些中性岩石與酸性巖的同時和同源性並沒有在本文中得到論證。事實上，已有部分的研究成果表明二者並不同源，形成時代存在2億年的差距（Wang et al., 2019）。如果閃長巖和英雲閃長岩基本代表母岩漿的話，那麼這些岩石中展現出來的高壓型TTG巖套的地球化學特徵將不能用晶體-熔體分離作用解釋，此外，殘餘熔體的抽提需要額外的熱源，然而在研究區並未發現具有高溫特徵的中上地殼岩石，模型所預測的富鉀花崗斑岩也並未被發現，這都是該模型目前無法解釋的問題。無論怎樣，這仍是一個新穎的，具有挑戰性的岩石成因模型，仍有諸多方面值得我們去證實或者證偽。
參考文獻
1.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.
2.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.
3.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.
4.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.
5.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：王浩/岩石圈室）
美編：徐海潮
校對：張騰飛
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