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李舒婷,Oct. 26, 2023
TTG是指奥长花岗岩-英云闪长岩-花岗闪长岩，是太古宙地壳的主要组成成分，是理解大陆起源与早期构造演化的关键。TTG是目前已知的最古老的、最重要以及时间来说最连续的记录，此外TTG中含有丰富的锆石，具有较强的抗蚀变能力，保存了可靠的同位素组成和年代学的记录。TTG本质上来说是一种钠质花岗岩，大多具有高的Sr/Y和La/Yb。对于TTG的成因，一般认为TTG是含水玄武岩的部分熔融的产物，并且根据熔融的压力可以把其分为高压、中压和低压，但是关于水的来源目前还是不清楚的。但是最近也有学者认为分离结晶在TTG的成因中也有重要的作用。绿岩带也是太古宙地壳的组成成分，是指以镁铁质火山岩为主的变质火山-沉积岩系，其完整的层序包括下部火山岩系和上部沉积岩系，下部火山岩主要是超基性-基性火山熔岩，其中包括科马提岩，还有就是钙碱性或者双峰式火山岩组合，有时候会夹带一些沉积岩，上部的沉积岩系主要是各类的碎屑沉积岩以及包括随时、碳酸盐岩在内的化学沉积岩。由于绿岩带内变火山岩系的原岩是在地表条件下冷却，因此可以保留形成时地球表生环境和洋陆构造格局的重要信息，另一方面科马提岩-玄武岩是地幔直接熔融的产物，对这些岩石的形成过程进行研究，可以为揭示早期地球幔源岩浆作用的发生和壳幔分异等地质过程和地球动力学背景提供直接的证据。
硅（Si）有三种同位素：28Si、29Si和30Si，与表壳过程相比，深部地质过程很难引起显著的Si同位素分馏，因此Si同位素是研究表壳物质循环的灵敏示踪剂。在太古宙的海洋中，由于缺乏大规模生物硅化过程，太古宙海水中Si的浓度显著偏高，Si过饱和会形成例如燧石等沉淀，并且在太古宙，地球的温度也比现在跟高，地热梯度也更大。这些物质将来自海水同位素偏重的硅带到一个更热的地热中，在那里硅被直接熔化，形成与俯冲相关的岩浆，其硅同位素特征比现代俯冲形成的火成岩更重。因此，早期硅化洋壳富集重硅同位素。O同位素可用于示踪与地球水圈的相互作用。如果说，地幔来源的岩浆结晶出来的锆石没有经过地壳的混染或者地表过程，那么会具有一个非常均一的O同位素组成，即地幔的氧同位素值。而低温水岩作用会导致岩石中的O同位素值升高，比如在沉积物中O同位素值都高于地幔值，相反地，高温的水岩反应会导致O同位素值降低，比如在火山口或者大陆裂谷环境中经常观察到氧同位素值低于地幔值，因此，非地幔的氧同位素值就表明了与地球水圈的相互作用，所以氧同位素对示踪地表水的参与也是十分有效的。因此，综合应用Si-O同位素体系可以有效识别相关的表壳物质循环和探究早期大陆的起源。
理论上来说，风化作用、低温水岩作用以及洋壳的硅化作用都会引起O同位素的显著变化，但是并非在所有的太古宙TTG中显示出了与地幔值不同的O同位素值。在2021年Nature的文章中，首次发现了TTG存在两类不同的O同位素比值—地幔值和偏高的δ18O值。由于O同位素出现的这种新的现象，需要再次对TTG的Si-O同位素数据进行整合，对Si-O同位素之间的关系进行探讨。
Lei et al（2023）这篇文章选择了来自于地球上太古宙陆壳出露最好的地区之一的南非Kaapvaal（卡普瓦尔）克拉通中的BGGT地块中10个具有代表性的TTG样品，对其进行了锆石的Si-O同位素的分析。结果如图1所示，第一、二组TTG样品的O同位素值接近地幔值，第3组TTG样品的O同位素高于地幔值，第1，2，3组TTG样品的δ30Sizrc都显著高于地幔值。
图1 Si-O同位素组成
Barberton TTG的锆石的Si同位素值都高于地幔值，但是不确定其来源中是否含有硅化物质，因为在不同花岗岩类型的锆石和熔体之间的Si同位素分馏不同，因此，需要计算TTG的熔体的δ30Simelt值，与显生宙不同SiO2含量的幔源火成岩的δ30Simelt演化趋势所定义的火成岩序列进行比较。通过TTG的熔体的Si同位素计算发现 Barberton TTG的Si同位素偏重。Barberton TTG的硅同位素偏重的原因可能是分离结晶或者源区中硅化物质的加入。锆石的结晶温度取决于铝饱和指数。铝饱和指数的降低会导致锆石在较低温度下结晶，从而导致较高的δ30Simelt值，但文章中的A/CNK与SiO2值之间没有相关性，表明不同铝饱和指数值的矿物没有发生明显分馏；并且太古宙TTG可能来源于水饱和条件下含水玄武岩岩浆的分异，其中石榴石与轻Si同位素结合成为残余物的一部分。在这种情况下，δ30Simelt值会增加，并伴随着轻稀土元素(如La)相对于重稀土元素(如Yb)的强烈分馏。但是文章中样品的LaN/YbN比值与δ30Simelt值没有相关性，表明δ30Simelt值的升高不是由含水玄武岩岩浆的分离结晶引起的。虽然在一些主量元素的哈克图解中可以看到与SiO2的相关性，但是岩浆分异在SiO2含量在66~78%之间的时候只会导致熔体的δ30Simelt升高0.05‰，相对于图中的显著升高可以忽略不计。因此，Barberton TTGs的δ30Simelt值的升高不是由分离结晶产生的，而是反映了源区中有硅化物质参与（图2）。
图2
对于Si-O同位素的耦合关系来说，一般有三种演化路径。第一，发生化学风化脱硅作用的沉积物其δ30Si值相对较低，但δ18O值较高，其次，未发生硅化作用的蚀变岩(如蛇纹岩)的δ30Si值以火成岩矿物为主，而δ18O值随蚀变温度的变化而变化。第三，低温下海水自生硅化(如燧石)和海底硅化(如硅化玄武岩)导致重Si和重O同位素富集。通过与这三种路径对比，文章认为第3组TTG的δ30Si 与δ18O的耦合升高是由于含有硅化物质的海底玄武岩的部分熔融导致的。第1组和第2组TTG的Si-O同位素解耦关系在以往的研究中未见记载。低温蚀变的硅化海底应该是具有重的O同位素组成，但是本文中却观察到了地幔值的O同位素组成，说明有一个额外的低δ18O端元的加入。低δ18O浆岩通常与裂谷、洋脊、撞击坑以及大气水或海水与岩石在大于350°C的温度下相互作有关。用低δ18O端元加入的方式可能是通过在地壳浅层吸收低δ18O物质或者在熔融源中加入低δ18O物质，由于本文中的锆石表现为单阶段岩浆生长，因此在岩浆侵位过程中不太可能发生前一过程。因此，低δ18O端元的加入是来自于源区的。那到底是来自于源区中的什么物质？绿岩带的岩石通常被认为是TTG的熔融源，Barberton 绿岩带从上到下大致可划分为燧石、硅化玄武岩、非硅化玄武岩、玄武岩科马提岩、科马提岩。燧石和硅化玄武岩具有重Si和重O同位素组成，可能参与了第3组TTG的形成，而对于非硅化玄武岩这个层而言，它的Si亏损，轻Si会进入水体的沉淀矿物中，虽然温度的下降会导致水和二氧化硅之间Si同位素分馏因子的降低，但在渐进沉淀过程中，残余溶液和连续沉淀仍然具有相对较高的δ30Si值，这与观察到非硅化玄武岩的地幔样δ30Si值相矛盾。大多数科马提岩在水下喷发，因此与海水相互作用，具有低δ18O值。热力学模拟表明，玄武质科马提岩和科马提岩的高MgO含量可以稳定绿泥石和透闪石等含水矿物，直到温度达到680-800°C。在如此高温的脱水过程中，可以释放高达5%的液体，这可能会促进上覆玄武岩的融化。δ18O分馏模拟也表明，科马提岩释放的流体会让上覆玄武岩的δ18O值发生显著降低。并且上覆玄武岩的Si同位素组成可能不会受到来自科马长岩的流体的实质性影响，因为Si同位素不受变质和交代过程的影响。这意味着从玄武质科马提岩和科马提岩中释放的低δ18O流体是具有解耦合Si-O同位素组成的TTGs的重要熔融源物质（图3）。
图3 TTG和绿岩的δ30Simelt和δ18Ozrc协同演化
综上所述，3.45-3.42 Ga(第1组)和3.24-3.23 Ga(第2组)TTG δ18Ozrc接近地幔值而δ30Simelt值较高，3.23-3.22 Ga(第3组)TTG δ18Ozrc和δ30Simelt值较高；第1组和第2组TTG的形成是由硅化物质和科马提岩释放的流体参与的，而第3组TTG的形成只涉及硅化物质；Barberton TTG的与地幔相似的O同位素组成可能不能反映表壳物质的缺失。
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