釩同位素研究揭示地球大陸地殼成分的演化歷史

近日，地球和空間科學(xué)學(xué)院黃方教授課題組和美國加州大學(xué)Santa Barbara分校Roberta L. Rudnick教授合作，通過冰磧巖和火成巖的釩(V)同位素研究，確定長英質(zhì)成分主導(dǎo)的陸殼形成于距今30億年之后。相關(guān)研究成果以《Dominance of felsic continental crust on Earth after 3 billionyears ago is recorded by vanadium isotopes》為題在線發(fā)表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》。

自從45.6億年前地球形成以來，地球經(jīng)歷了漫長的演化和分異。現(xiàn)今的地球是太陽系中唯一一個擁有長英質(zhì)大陸地殼的類地行星。大陸地殼最初的成分是來自地幔的鎂鐵質(zhì)巖漿，而板塊運動使得大陸地殼進(jìn)一步演化，并形成大面積的長英質(zhì)陸殼。大陸地殼的化學(xué)成分變化與地球演化、板塊運動和行星宜居性有著重要的意義。幾十年來，研究者們根據(jù)不同的方法得出兩種相反的認(rèn)識。其一是太古宙早期以來大陸地殼就已經(jīng)是長英質(zhì)成分主導(dǎo)，另一種認(rèn)識是太古宙中晚期之前大陸地殼成分仍然是鎂鐵質(zhì)成分主導(dǎo),從鎂鐵質(zhì)向長英質(zhì)成分的轉(zhuǎn)變發(fā)生在太古宙中晚期-元古宙早期。產(chǎn)生爭議的主要原因在于采用的地球化學(xué)指標(biāo)具有多解性，V同位素則提供了一個可靠的方法。

科研人員首先通過分析俯沖帶鈣堿性火成巖的V同位素組成，對比全球拉斑和鈣堿性火成巖、太古宙綠巖帶火成巖的數(shù)據(jù)，在排除磁鐵礦過度結(jié)晶的樣品后，發(fā)現(xiàn)火成巖的δ51V和SiO2以及MgO的相關(guān)性適用于太古宙的樣品。為了探索大陸上地殼成分隨時間的變化，該論文進(jìn)一步測量了冰磧巖V同位素組成。冰磧巖常被用來研究大陸地殼組成，但是冰磧巖受到膠結(jié)物質(zhì)以及風(fēng)化改造的影響，其主量元素不能直接用來指示陸殼成分。作為國際上少數(shù)實現(xiàn)高精度V同位素測量的團隊之一，黃方團隊前期的研究表明，V同位素組成不易受到風(fēng)化、蝕變改造的影響。冰磧巖的V同位素組成（圖1）可用于直接計算其原巖的主量元素含量。結(jié)合得到的巖漿巖δ51V-SiO2-MgO線性關(guān)系與冰磧巖V同位素組成，重建了古老大陸上地殼成分（圖2），發(fā)現(xiàn)在中太古代（距今~30億年前）時大陸上地殼依然以鎂鐵質(zhì)成分為主，而從鎂鐵質(zhì)到長英質(zhì)地殼的轉(zhuǎn)變發(fā)生在距今~30億年之后。這個成分轉(zhuǎn)變可能標(biāo)志著全球板塊構(gòu)造的開始，表明全球板塊構(gòu)造運動的啟動不可能早于30億年前。

圖1 冰磧巖V同位素組成和時間關(guān)系圖

圖2 基于冰磧巖V同位素計算得到的SiO2和MgO含量與時間關(guān)系圖