本次阅读的文献为Scientific Reports在2020年刊发的研究论文““Geochemical evidence for a widespread mantle re-enrichment 3.2 billion years ago: implications for global-scale plate tectonics”。文章主要通过太古代-早元古代玄武岩、科马提岩中的微量元素比值、εNd值来研究全球范围内俯冲和板块构造过程的开始。

(资料图片)

Introduction

尽管板块构造学说现在已被广泛接受为地球显生宙演化的范式，但这些过程何时开始的问题仍然存在争议。

主要基于地壳研究，范围从太古代早期到新元古代晚期。

板块构造的一个关键过程是大范围俯冲。俯冲板附近沉积物和地壳物质释放的流体和岩浆促进了上地幔楔块的熔融，形成了具有特定微量元素特征的弧玄武岩(如升高的大离子亲石元素(LILE): Ba、Pb、U、Sr、as、B和Cs)，反映了弧下地幔的富集。

其中一些陆源物质也侵入地幔深部，导致地幔深部LILE和轻稀土元素(LREE)富集，促进了地幔柱玄武岩的地球化学和同位素非均一性。

人们普遍认为，在板块构造之前，由于缺乏大规模/全球范围的陆地物质向上地幔和下地幔的再循环，地球具有相对均匀的地幔成分，缺乏高度不相容的元素(如Ba、Pb、Rb、Cs、Sr和U)，但富含高场强元素(如Nb和Ta)。

因此，由不相容元素和流体活动性元素的富集引起的全球的地幔非均一性的变化，以及上下地幔源物质的Nd同位素系统的阶跃变化，可以识别全球范围内俯冲和板块构造过程的开始。

因此，追踪太古宙和早元古代地球上下地幔的同位素和化学非均质性可能为确定板块构造何时开始提供一种新的方法。

地壳再循环地球化学示踪剂

为了确定全球范围内广泛的地幔再富集发生的时间，文章通过研究太古宙-早元古代基性-超基性岩石的全球数据库，重点研究了它们的Sm-Nd同位素系统和岩石成因敏感的微量元素比值，来直接研究了地幔的组成。

Sm和Nd具有非常相似的化学行为。由于Sm/Nd比对蚀变和变质作用的影响较强，并且不受晶体分选的显著影响，因此该比值通常反映了源区成分。由于亏损地幔富集Sm而非Nd，其Sm/Nd比值(~ 0.5)大于球粒陨石(~ 0.32)和典型大陆地壳(~ 0.2)值。

因此，来自亏损地幔的岩浆中的143Nd/144Nd比值要比来自地壳的当代岩浆高得多。岩浆被动获取源的143Nd/144Nd初始比值31时，基性/超基性岩石中Nd的差异(143Nd/144Nd初始比值与球粒岩值的相对偏差，Nd = 0)限制了地幔源的演化。随着地质时间的推移，亏损地幔在同位素上向更正的εNd值演化，但地壳向负值演化。

因此，镁铁质-超镁铁质岩石的εNd向不太正的值转变表明了陆地物质对地幔源的重大贡献。

此外不相容的流体活动性元素（FME:Ba、Pb、Rb、Sr和U）与相对不活动性的元素（如高场强元素（HFSE:Nb和Ta）和稀土元素（REE））的比率是沉积物（如Ba/La和Ba/Nb）和大陆地壳物质（如U/Nb）再循环到地幔源区的流体和岩浆侵入的极好示踪剂。

在俯冲脱水和弧岩浆作用期间，FME转移到地壳，但HFSE被角闪石和金红石等矿物保留在地幔源中。

这种微量元素（具有相似的不相容性，但具有非常不同的化学行为）对的比值特别有用，因为它们对蚀变/变质作用不敏感，并且在部分熔融过程中分馏较少。

因此，在太古代和元古代镁铁质和超镁铁质岩浆产物中，除了Nd同位素外，Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce等比值可以准确地确定其上下地幔源中非均一性的起源时间以及地幔微量元素的变化。

Data

文章主要利用Georoc库建立了玄武岩(n = 3,127)和科马岩岩(n = 2,740)的主微量元素(包括稀土元素)数据库。

数据选择：（1）具有年龄限制、样本ID和地理空间的样本；（2）玄武岩和科马长岩的年龄分别为3.8 ~ 2.4 Ga和3.8 ~ 2.0 Ga。（3）玄武岩数据库主要由玄武岩和玄武岩安山岩组成，SiO2为40 ~ 55 wt%， MgO <12 wt%，总碱(K2O + Na2O) <5 wt%。

为了获得地幔衍生熔体微量元素比例的最佳分布估计，并最大限度地减少采样和保存偏差，我们使用Matlab MIT开源代码(https://github.com/brenhinkeller/StatisticalGeochemistry)，按照Keller和Schoene的方法，对选定的数据库进行了加权自举重新采样。

Results

图1显示了跨越古太古代到中太古代过渡期（~3.2 Ga）的玄武岩和科马提岩的εNd值范围的显著变化。

在~3.2 Ga之后，玄武岩和科马提岩的εNd均值从−1.5（~3.0 Ga）下降到−8.0（~1.7 Ga）

该分析为全球范围内镁铁质和超镁铁质岩石地幔源的准同生污染/再利用提供了有力的证据，从上地幔约3.2 Ga之后开始（根据玄武岩推断），但也影响下地幔（根据科马提岩推断），因为富含LREE的地壳物质的流入产生了负的εNd值。

玄武岩和科马提岩的微量元素比率（即Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce）被广泛接受，以跟踪陆地物质进入地幔源的再循环。图2和图3显示微量元素比值随时间的变化。

在~3.25Ga之后，玄武岩中Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce比值的移动平均值突然增加。此外，与年龄在~3.15Ga之前的科马提岩相比，在~3.15 Ga之后的科马提岩所有比值的平均值都增加。

我们的解释假设在3.2 Ga附近没有剧烈的大陆地壳增长。然而，如果在大约3.2 Ga有一个全球大陆地壳生长的高峰，那么全球板块构造可能早于3.2 Ga就开始了，但由于大陆地壳相对较少，地幔再富集可能不那么明显。

总的来说，本文认为大约32亿年前发生了一次大的地幔再富集事件，解释为全球范围的板块构造开始不迟于那个时间。

文献原文：https://www.nature.com/articles/s41598-020-66324-y

关键词：