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古老地壳的新发现

    大陆地壳是由地球的分异作用形成的,即轻的富硅物质由于浮力作用上升形成地壳。现代的大陆壳的形成过程多数是由板块作用的结果:由于俯冲作用,导致冷的密度大的板片下插到地幔中并触发岩浆的形成,其上升并进一步分异形成新的大陆壳。然而, 这样的板块过程到底是什么时候开始的,依然不清楚。据Reimink等发表在Nature Geoscience上的论文报道,他们发现了迄今为止地球上最古老的大陆壳岩石。他们的研究发现。形成这些岩石的岩浆与现代俯冲带的岩浆不同,它们是从浅部岩浆结晶的,并且组成了地球初始的大陆核,其背景有点类似于现今的冰岛。

    地球的层圈结构的形成是地球分异过程中金属进入地核,而富硅酸盐物质冷凝后形成地幔以及薄的地壳。然而,开始形成的地壳是不是和现今的玄武质洋壳相似?还是相对富硅的现今大陆地壳?这些问题尚不清楚,原因很简单,是因为我们很难得到地球最早形成的岩石,特别是最初几个百万年形成的岩石。目前能够确定是冥古代时期形成的岩石极其稀少,仅仅在相对年轻的沉积地层中识别出了这个时期的碎屑锆石。然而,要恢复这些碎屑锆石的母岩及其所代表的地质含义将是非常困难的。

    目前最古老的大陆岩石是形成于太古宙4.0-2.5Ga的条带状灰色片麻岩。但是,这些片麻岩绝大多数是形成于不同时期的混合物,而且很多原始的岩浆矿物已经被后期的变质作用所改造,所以这些岩石不能很好地揭示其形成过程。保存最完好的太古宙片麻岩的地球化学特征指示了其形成深度超过35km,而具有类似地球化学特征的岩浆形成于现今俯冲带内,所以这就暗示了,在太古宙时板块构造已经存在,并由此快速形成了大陆壳。

    Reimink等在加拿大Territories西北部发现的片麻岩不支持上述关于地球早期存在俯冲带这个观点。他们的锆石U-Pb测年结果显示,这些岩石超过4.0Ga。与典型的富硅太古宙岩石相比,其具有富铁低铝并且稀土元素变化很大的特征。这些特征指示了它们不是形成于俯冲带,而是由形成于很浅的贫水岩浆结晶而成。而且,片麻岩中的锆石显示出低18O的特征,暗示了母岩浆在高温下混染了已经被流体交代蚀变的地壳物质,这就为地球早期水圈的形成以及地壳浅部存在岩浆和热流体提供了重要证据。

    地球上具有低18O的富硅富铁岩浆非常罕见,但它指示了上隆的地幔物质高热流的信息,这有点类似于现今美国黄石公园和冰岛的火山热点地区。Reimink等的研究表明,加拿大片麻岩形成于类似于现今的冰岛这样的构造背景,即地幔流沿着两个离散的板块之间上升导致大量的岩浆喷出。因此,早期热的地球可以以这种类似的方式(地幔上隆)产生足够厚的硅质地壳。所以,我们可以设想,以加拿大片麻岩为代表的小陆核可以孕育出大陆块体。

    很显然,加拿大片麻岩对于解决地球早期一些问题无疑是有意义的。然而,这远远是不够的,比如,如果这种地幔上升是普遍性的,那么现今太古宙地壳为什么不是主要是这种富铁片麻岩构成的?当然,这也许是由于浅部这种岩石已经被剥蚀掉造成的。还有一种可能就是这种岩石依然存在,但是其地球化学信号由于后期的变质作用被改变。当然,要在年轻的片麻岩中要寻找这种富铁岩石是很困难的,但是是非常有意义的,因为它们代表了太古宙克拉通最古老的陆核

    Reimink和他的同事们在加拿大识别出的古老岩石记录了早期大陆壳形成的历史,即其形成是由于地幔物质上升到浅部形成的,其背景有点类似于现今的冰岛。但是还是有很多问题尚不清楚,值得进一步研究,如是否有更多的加拿大片麻岩是古老地壳的残留?对这些已经测年的锆石进行Hf同位素研究将有助于回答这个问题,详细的地球化学研究也将有助于我们更多地了解大陆分异过程的开始时间以及其他行星的早期演化历史。

    该项研究发表于国际自然科学领域顶级期刊Nature Geoscience上: Kemp, A. I. S. A new recipe for old crust. Nature Geoscience, 2014, 7:482-483.(译文:张招崇/地球科学与资源学院)

本文转载自:中国地质大学官方网站

原文链接http://www.cugb.edu.cn/research/kdetail.action?id=13256

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