地壳再生导致了地球早期克拉通的稳定
解读文章：Mulder, J.A., Nebel, O., Gardiner, N.J., Cawood, P.A., Wainwright, A.N., and Ivanic, T.J., 2021. Crustal rejuvenation stabilised Earth’s first cratons. Nature Communications 12, 3535; https://doi.org/10.1038/s41467-021-23805-6592.
1. 研究背景
关于早期大陆形成，最基本的问题就是克拉通的形成和稳定。克拉通是大陆地壳上长期稳定的构造单元，是元古代以来大陆增生和演化的“古陆核”。在地球刚形成之初的5亿年，可能在经历了“岩浆洋”时期之后，地球就形成了一层镁铁-超镁铁质岩石圈；该岩石圈处于不活动状态，但是其下伏的软流圈表现出强的热对流，因此属于停滞层盖（stagnant lid）构造环境（Johnson et al., 2014; Bédard et al., 2018）。早期陆壳的形成主要依赖于这些镁铁质洋壳发生部分熔融所形成的长英质岩浆，从而将出露海面的洋壳逐渐转化为陆壳。这个过程相当于克拉通产生的孕育阶段，而克拉通化的过程，就是稳定大陆的形成过程（翟明国等，2020）。
全球克拉通化的完成一般被认为发生在新太古代（大约25亿年前），而初始陆核的形成可能更早。从初始陆核的形成到统一克拉通化的完成，地球走过了几乎整个太古宙时期。稳定且演化的长英质地壳的形成对构建地球上最早的克拉通（大陆古老陆核）至关重要。目前我们所能看到的最早的演化陆壳形成于始太古代（40-36亿年前），它们在几个典型古陆上都可以看到有零星残留。更老的（冥古宙）演化地壳是否存在？随着冥古宙地壳完整残留体（如Acasta片麻岩或其他可能的古老岩石）、年轻岩石中再循环的冥古宙锆石、以及一些克拉通中冥古宙的放射性Pb和142Nd同位素特征的不断发现，冥古宙可能（至少局部）已经存在演化的地壳。
从目前的地质记录来看，地球早期演化的陆壳岩石以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG）岩石为主。TTG岩石的形成一般要求两阶段过程，首先是地幔超镁铁质岩石部分熔融形成镁铁质地壳，然后是镁铁质地壳部分熔融形成长英质岩浆。这里面就存在一个何时何地熔融的问题。如果地幔熔融产生的玄武质新生地壳在很短的时间尺度内重熔产生长英质TTG岩浆并侵入于地壳中，可以称这个源区为'新生'的；如果这些新生地壳形成后没有立即重融，而是存留在地壳中长达几百个百万年后再重熔，就可以称这个源区为'古老'的。这个定义与新生地壳和古老地壳的再造是一致的（Zheng et al., 2008）。
如何示踪TTG岩浆源区到底是新生还是古老的呢？Mulder et al. (2021)注意到，176Lu-177Hf衰变体系可以很好地示踪TTG岩石的源区，因为部分熔融过程中Lu和Hf能够发生分馏，导致地幔（具有高176Lu/177Hf）和地壳（具有低176Lu/177Hf）的放射性Hf同位素组成具有不同的随时间演化趋势。因此，对于始太古代的TTG来说，来源于新生地壳时会继承始太古代地幔的Hf同位素特征，表现出与球粒陨石相近的Hf同位素组成；而来源于古老地壳时，则不具有那么放射成因的Hf同位素特征，结果εHf(t)值朝负的方向移动。
而众所周知，锆石是研究古老TTG岩石Hf同位素特征的一个非常理想的工具，结合锆石原位的U-Pb定年和Hf同位素分析结果，我们就能约束不同时代TTG岩石源区演变规律，可以为我们探究早期地球演化地壳形成提供关键信息。Mulder et al. (2021)继续关注西澳的Yilgarn克拉通（图1）。该克拉通不仅保存了一些最古老的演化的始太古代地壳露头，还保存有不少年龄达4370~4000 Ma的碎屑锆石，这些锆石记录了地球上最完整的冥古宙演化的岩浆作用的信息。因此，Yilgarn克拉通可为我们提供一个重要的窗口，帮助我们去了解冥古宙-始太古代之交的岩浆源区的转变以及首批稳定的、演化的地壳形成。
图1. 西澳Yilgarn克拉通的构造地体分布图。主要的构造地体单元已标注且被粗实线划分开。绿岩带为图中暗灰色部分。全岩Sm-Nd模式年龄填图来自Wyche（2019）。白色的圈指示那些含冥古宙和始太古代早期碎屑锆石的~3000Ma沉积序列的分布地点。
2. 研究结果
Yilgarn克拉通最早的地壳记录来自于冥古宙和始太古代早期（>3800Ma）的碎屑锆石，它们大部分被保存在四个地区的中太古代沉积序列中（图1）。其中，研究最多的是Narryer地体中的Jack Hills和Mount Narryer这两个地区的变质的砂岩和砾岩。另外两个地点是Maynard Hills和Mount Alfred地区Illaara组的变质砂岩，它们位于Narryer地体东南400 km的Youanmi地体中。Mulder et al. (2021)汇总了前人对Jack Hills和Mount Narryer地区发表的数据，并在本次研究中新提供了来自于Illaara组的碎屑锆石（n=2296）的U-Pb年龄和Hf同位素数据。其中638粒碎屑锆石的U-Pb定年和Hf同位素体系较小受到后期干扰，可以较好地指示演化岩浆的年龄和Hf同位素组成。这些新提供的碎屑锆石的年龄介于4150Ma到3250Ma之间，年龄跨度较大，峰值年龄出现在约3750Ma、3650Ma、3500Ma和3400Ma（图2），其年龄分布总体上类似于Jack Hills和Mount Narryer变沉积岩中碎屑锆石的特征，且与Narryer地体出露的古太古代地壳的时代一致。
图2. Yilgarn克拉通中冥古宙-太古宙碎屑锆石的初始εHf(t)值和锆石U-Pb年龄之间的关系图。大多数年龄>3800Ma的碎屑锆石的Hf同位素分布表明，冥古宙早期镁铁质地壳源区经受了内部再造。从~3750Ma开始，碎屑锆石的εHf(t)-年龄关系呈现出垂直分布的趋势，反映出新生地壳源区与先存冥古宙地壳之间的混合。误差条是2SE。CHUR-球粒陨石。下方的图展示的是核密度估计曲线和锆石年龄分布直方图。图后方灰色的条对应了保存在Narryer地体中的几期地壳岩石的年龄。
Yilgarn克拉通中Illaara组中的年龄>3800Ma的碎屑锆石（相对于Jack Hills地区）比较稀少（约占分析颗粒的1.5%），且具有负的εHf(t)值，与前人在Jack Hill中报道的碎屑锆石的数据（Kemp et al., 2010）一致。Mulder et al.(2021)新获得的数据及已发表的数据均表明，Yilgarn克拉通中大多数最早期的演化岩浆不是来自于新生地壳。相反，已有的这些年龄>3800Ma的锆石可以勾勒出一个近线性分布的εHf(t)-年龄关系的演化轨迹，该轨迹在4400Ma时对应的εHf(t) 值为–1.5，而到3800Ma时εHf(t)值演化为–7（图2）。这样一个Hf同位素的演化轨迹表明，年龄>3800Ma锆石的母岩浆形成于一个古老的、以镁铁质成分为主的地壳（176Lu/177Hf=0.020-0.026），经历了持续较长时期（~600Myr）的内部再造，而这样的地壳源区在冥古宙早期就已从地幔中抽取出来。
与冥古宙-始太古代早期的记录不同，Yilgarn克拉通在~3750Ma时的锆石Hf同位素演化则呈现出一个陡峭的变化（图2）。且从这个时间节点开始，锆石的εHf(t)-年龄关系上呈现出一个垂直分布的趋势，总体上介于两个端元之间，其中一个端元接近球粒陨石的εHf(t)值 0-1，而另一个端元为上述年龄>3800Ma锆石所确定的那些冥古宙镁铁质地壳的再造趋势。于是，Mulder et al. (2021)认为，每个垂直的εHf(t)-年龄分布的锆石群的形成可能都是反映以下两个过程：（1）新生镁铁质岩浆首先从地幔抽取出来并侵入到冥古宙的镁铁质地壳底部，并被少量年龄>3800Ma的酸性岩浆和锆石所记录，在不同时代具有的εHf(t)不同，但是Hf模式年龄基本一致；（2）后来，新生的和冥古宙镁铁质地壳快速再造就会产生演化的长英质岩浆（图2）。始太古代时期的这种多重源区和多阶段的演化所构成的趋势，明显与年龄>3800Ma锆石所呈现的单一古老基性地壳再造的趋势完全不同，反映出Yilgarn克拉通含锆石的岩浆在源区特征上的显著改变。
3. 研究启示
Mulder et al. (2021)进行的新的锆石Hf同位素分析揭示出一个关键现象：Yilgarn克拉通地壳保存的开始时限~3750Ma（Kemp et al., 2019）与碎屑锆石所记录的岩浆源区特征的突变相吻合（图2）。该发现可能暗示：地壳再生作用（crustal rejuvenation，定义为同位素上新生的岩浆大量加入到古老地壳基底中）与演化的始太古代地壳稳定作用之间存在成因联系。事实上，锆石Hf同位素上的跃变（step-change）与最古老的、演化的地壳岩石之间的时间联系在其它几个克拉通的记录也很明显，在冥古宙-始太古代地壳中的锆石档案有所记录（图3a,b）。例如，Wyoming和Singhbhum克拉通中碎屑和捕获的冥古宙-始太古代锆石记录了一个更长的冥古宙地壳改造期，该改造可以一直持续到约3600Ma前。Slave克拉通也大体如此（图3b），大规模花岗质岩石的侵位与锆石Hf同位素向更为新生地壳源区的转变是同步的，指示地壳再生作用与稳定的、演化的地壳体积的增长存在着成因联系。
图3. 地球最古老演化岩石中锆石的Hf同位素系统变化。a 太古宙克拉通在世界地图上的分布（用灰色表示）。彩色的圆圈为具有相关数据的始太古代克拉通，显示在下图b和c中。而保存有冥古宙锆石、放射性Pb同位素或者142Nd同位素数据的始太古代克拉通标为h。b 太古宙克拉通中锆石εHf(t)与时间投图，记录了Hf同位素的突变与演化岩石的保存之间的联系。黑色垂线指示最老岩石的锆石U-Pb定年结果。灰色虚线指示冥古宙与始太古代之间的界限。红色区域表示Yilgarn克拉通地区冥古宙基性地壳Hf同位素演化的趋势线。c 不同始太古代克拉通地区最古老TTG岩石中锆石εHf(t)数据的箱状图。箱状图的界限限定了上四分位和下四分位，水平的粗线代表了平均值，上下的线显示了1.5倍的四分位距，点代表了不同的分析测试点。水平灰色的区域代表了球粒陨石的参考值±0.5和±1 εHf单位。
始太古代锆石Hf同位素的这种变化可有助于建立地壳再生作用与克拉通稳定化之间的联系。虽然其它许多克拉通上缺乏大量的冥古宙锆石数据，但保存的冥古宙Pb同位素和142Nd同位素特征表明其建立在冥古宙地壳的基底之上（图3a）（Kamber, 2015; O’Neil & Carlson, 2017; Schneider et al., 2018）。绝大部分始太古代克拉通中最老的演化岩石都具有接近球粒陨石平均值的Hf同位素组成，这就需要在其形成过程中有一定量的新生母源区物质的贡献（图3c）(Petersson et al., 2020)。然而，从正的εHf(t)值到较负的εHf(t)值这两个端元间的Hf同位素的展布指示，这些TTG岩石并不能完全代表加入到地壳中的纯的新生地壳衍生物质，而只是侵位其中的并同时广泛改造了冥古宙的地壳基底（Guitreau et al., 2019）。总的来说，其它古老地体的Hf同位素数据与Yilgarn克拉通中保留下来的冥古宙-始太古代演化的岩浆作用一致，支持了地壳再生与始太古代地球最古老克拉通的稳定之间存在联系。
地壳再生与克拉通稳定之间的时间联系还可以与克拉通地幔的形成联系起来。Mulder et al. (2021)认为，这种联系被认为是在新生的始太古代克拉通之下的岩石圈地幔形成的结果。地幔在部分熔融形成镁铁质岩浆的过程中带走了铁和挥发分组分，从而产生了熔体亏损的岩石圈地幔的残留体。这些熔体亏损的残留体具有增强的机械强度和浮力，可以抵御对流地幔的熔蚀而保持稳定，有利于上覆地壳的长期保存。数值模拟也表明，岩石圈地幔的存在会显著增强地壳的保存能力（O’Neill et al., 2013; Capitanio et al., 2019）。目前报道的少量岩石圈地幔捕掳体的Re-Os地幔模式年龄（>3600 Ma; Carlson et al., 2005）和极少的~3800Ma难熔地幔岩（van de Löcht et al., 2018）也支持始太古代岩石圈地幔的发育与克拉通的稳定化和大量演化地壳的产生是同时的。
这样一个地壳再生过程还可能与地球动力学体制变化有关。Mulder et al. (2021)指出，Yilgarn克拉通在~3800Ma之前极少有锆石具新生Hf同位素特征，这与冥古宙时期停滞层盖地球动力学模型相匹配，少量的演化熔体可以在超厚火山中心之下通过镁铁-超镁铁质地壳的部分熔融而产生（Kemp et al., 2010），或由陨石撞击（Johnson et al., 2018）产生（图4）。锆石Hf同位素记录表明，源区转变为冥古宙源区与新生源区的共同再造发生在大约3850-3600Ma（图3b, c），这可能对应于地球动力学背景上发生了重要的、持续性的转变。需要注意的是，不同克拉通在这至少250Myr期间在不同时间段内稳定（图3c），这表明全球地球动力学是一个渐进的过程。但是，Mulder et al. (2021)强调这一构造体制的改变主要发生在冥古宙-太古宙转换时期，与古代板块构造在这一时间启动（Zheng & Zhao, 2020）相吻合。虽然克拉通稳定化与全球地球动力学变化之间的联系得到了数值模拟工作的支持（Capitanio et al., 2020），但是克拉通化在太古宙时期是个渐进的过程，到古元古代早期依然在进行。Mulder et al. (2021)的工作可能相当于为古太古代早期这一转变的发生提供了重要的地球化学和地质学证据。
图4. 冥古宙和太古宙之间地壳形成过程和岩石圈架构示意图。冥古宙地壳主要由基性-超基性岩石以及少量演化的熔体所构成，后者是内部化学分异或者外部冲击熔融的结果。冥古宙地壳持续到太古宙，在岩石圈边缘板块俯冲区域或者对流地幔上涌之上加厚地壳区域发生再造形成演化岩浆，其所结晶的锆石具有负的εHf(t)值。这两种构造环境有助于对流地幔发生绝热熔融或者流入熔融（flux melting），从而形成新生地壳，并进行再造产生具有接近球粒陨石εHf(t)值的演化的岩浆。新生地壳基性熔体的抽离产生了熔体亏损、刚性、具有浮力的岩石圈地幔，这促使地球早期克拉通内演化的陆核的更为稳定。锆石的εHf(t)与时间的投图显示，对应的Yilgarn克拉通内冥古宙和太古宙两个时期内演化地壳锆石Hf同位素特征。
Mulder et al. (2021)意识到，演化地壳的体量在始太古代开始迅速增加，因此该时期对于理解地球上最早的克拉通的稳定化非常关键。作者着眼于地球早期大陆的形成与演化，既没有去讨论早期板块构造体制这个“难缠”的问题，也没有过多地去讨论TTG岩石的成因问题。
4. 存在问题
Mulder et al. (2021)的这个工作让我想起，在2016年7月南非Barberton的野外研讨会中，华盛顿州立大学Jeffrey D. Vervoort教授和加州大学洛杉矶分校的T. Mark Harrison教授有着一场异常激烈的讨论。尽管那晚争论的焦点主要是冥古宙锆石的Hf同位素，但Vervoort教授那时对于地球早期锆石Hf同位素的演变趋势的总结与本文异曲同工，相关的文章可见Fisher & Vervoort (2018)。只不过，Mulder et al. (2021)把这种Hf同位素的演变规律与地球早期克拉通（古陆核）之间的稳定联系了起来。至于地球最早期大陆的稳定，又不禁让人想起Johnson et al. (2017)的文章，只不过这篇Nature文章着重解释的是西澳东Pilbara克拉通早期TTG的成因。总之，目前关于早期地球的研究，克拉通的稳定化（或者稳定克拉通的形成）是一个绕不开的问题，也是一个重中之重的问题。
事实上，不少学者认为克拉通的完全稳定时间还要更晚一些（可能到新太古代甚至古元古代），Mulder et al. (2021)主要讨论的是早期古陆核的产生问题。本文工作与Vervoort教授等人工作的相似性表明，大家对这一认识具有一致态度，但是本文也有几个问题还有待进一步解决。
（1）>3800Ma岩浆岩的源区是否具有单一基底？从Hf同位素随时间的演化图来看，实际上，>3800Ma锆石的Hf同位素变化也较大，只是相对<3800Ma的锆石来说，正值少了一些，负值更负一些而已。这种变化大的Hf同位素并不太支持是“单一”镁铁质地壳基底在不同时代的部分熔融，而是也有混合的特征。那么，这种混合的特征是什么原因导致的？与地壳的性质和热体制是否有关？
（2）在冥古宙-始太古代转换期之前是否存在地壳新生作用？这种地壳的新生可能未必被锆石所记录，因而在当前的锆石随时间的Hf同位素演化线上看不到。地球早期的岩石记录缺乏，也可能会影响对这一问题的判断。
（3）锆石Hf同位素的变化还有无可能跟其它因素有关？源区是影响锆石Hf同位素变化的一个重要原因。此外，这种变化还可能与矿物不一致熔融有关。对这一问题，作者并没有予以阐述。
总之，关于地球早期大陆地壳的形成和演化还有不少问题值得进一步深入探索。
5. 参考文献
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解读者：王孝磊