近日，地学领域著名期刊《Earth and Planetary Science Letters》在线发表了题为“Successful subduction of oceanic plate after failed attempts in the Late Archean: Petrological and geochemical constraints”的研究成果。该成果由中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室王玺副教授、 李三忠教授与南京大学葛荣峰教授以及中国科学技术大学郑永飞院士等合作完成。

   关于板块构造的启动时间和演化过程一直以来是早期地球领域的研究热点。虽然目前有大量地质证据表明板块构造至少在晚太古代 (3.0-2.5 Ga) 已经在全球范围内启动，但由于太古宙地幔温度较高，早期板块构造的运行方式与现代板块构造不同。在太古宙高的地幔温度下，大洋俯冲是如何进行的？板块构造自启动后如何日趋成熟？这是理解早期地球演化的关键问题。对于这一问题，目前主要是一些地球动力学模拟的研究，而缺乏对俯冲板片行为的直接研究。如何直接研究大洋板片的行为？有两种方式：一是研究残存的大洋岩石圈碎片（蛇绿岩）；二是研究洋壳部分熔融的产物TTG (英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩)。目前发现的太古宙蛇绿岩极其稀少，其中不具争议的更是几乎没有。因此更为可行的是通过太古宙TTG来反推太古宙大洋板片的行为。这种方法的前提是能够在TTG源区准确识别出蚀变的玄武质洋壳，而这一点恰好是TTG成因研究中的难点和热点。

   研究团队在华北西缘阿拉善地区研究的一套晚太古代TTG具有非常好的Hf-O同位素组成与变化趋势，为上述科学问题提供了很好的岩石学与地球化学证据。阿拉善晚太古代TTG形成于2750Ma，野外与之同期且联系紧密的还有一套钙碱性基性岩。这些TTG从化学成分上看多属于中压型TTG，形成于<60km的地壳深度的部分熔融。其锆石δ¹⁸O变化范围为4.3-7.9‰，超出太古宙岩浆锆石的总体变化范围。锆石Hf-O同位素联合 (图1)，可以反推出TTG源区由三个端元组成，分别是：①古老陆核物质；②年轻的高温热液蚀变洋壳；③古老的低温热液蚀变洋壳。要使上述三个端元在地壳深度(＜60km)混合并部分熔融，需要洋壳俯冲夭折，这样可以使不同时期、具有不同δ¹⁸O值的洋壳在陆核边缘堆叠加厚，成为中压型TTG的源区。

图1 阿拉善晚太古代TTG锆石Hf-O同位素端元混合模拟

   结合同期钙碱性基性岩的地球化学特征，研究团队提出太古宙大洋俯冲从夭折到成功的发展模式：(1) 31-27.5亿年，至少经历了两次俯冲失败，使不同时代的洋壳直接增生到陆核边缘，并伴随着不同层次蚀变洋壳（低δ¹⁸O和高δ¹⁸O ）的分离；(2) 约27.5亿年，洋壳成功俯冲至弧下深度，形成交代地幔; (3) 约27.5亿年：板片回卷等作用，导致交代地幔和上盘地壳（陆核地壳、低δ¹⁸O 洋壳、高δ¹⁸O 洋壳）被加热而发生部分熔融，形成具有不同Hf-O特征的中压型TTG和钙碱性玄武岩。

   上述模型能够解释太古宙中压型和低压型TTG的成因 (1.0-1.5 GPa)，而这两种TTG占TTG总量的~80%。这能够为理解大陆地壳的起源提供新的思路。此外，在现代板块构造体制下，地壳生长量与俯冲带地壳消亡量基本可以达到平衡，因此大陆地壳的净增长量很低。然而，太古宙时期却有非常显著的陆壳增长，这也说明太古宙构造体制与现代不同。上述工作能够很好的解释这一重要问题。

详细内容请参考：Wang X., Ge R. F., Zheng Y.-F., Zhu W. B., Li S. Z., Tian R. S., Wang Y., Rong Y. W. (2024). Successful subduction of oceanic plate after failed attempts in the Late Archean: Petrological and geochemical constraints. Earth and Planetary Science Letters 644: 118944.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118944.