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(guò)冰磧巖和火成巖的釩(V)同位素研究，確定長(cháng)英質(zhì)成分主導的陸殼形成于距今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(xiàn)發(fā)表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》。
自從45.6億年前地球形成以來(lái)，地球經(jīng)歷了漫長(cháng)的演化和分異。現今的地球是太陽(yáng)系中唯一一個(gè)擁有長(cháng)英質(zhì)大陸地殼的類(lèi)地行星。大陸地殼最初的成分是來(lái)自地幔的鎂鐵質(zhì)巖漿，而板塊運動(dòng)使得大陸地殼進(jìn)一步演化，并形成大面積的長(cháng)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(dòng)和行星宜居性有著(zhù)重要的意義。幾十年來(lái)，研究者們根據不同的方法得出兩種相反的認識。其一是太古宙早期以來(lái)大陸地殼就已經(jīng)是長(cháng)英質(zhì)成分主導，另一種認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,從鎂鐵質(zhì)向長(cháng)英質(zhì)成分的轉變發(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)指標具有多解性，V同位素則提供了一個(gè)可靠的方法。
科研人員首先通過(guò)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據，在排除磁鐵礦過(guò)度結晶的樣品后，發(fā)現火成巖的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(shí)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(lái)研究大陸地殼組成，但是冰磧巖受到膠結物質(zhì)以及風(fēng)化改造的影響，其主量元素不能直接用來(lái)指示陸殼成分。作為國際上少數實(shí)現高精度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。結合得到的巖漿巖δ51V-SiO2-MgO線(xiàn)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)現在中太古代（距今~30億年前）時(shí)大陸上地殼依然以鎂鐵質(zhì)成分為主，而從鎂鐵質(zhì)到長(cháng)英質(zhì)地殼的轉變發(fā)生在距今~30億年之后。這個(gè)成分轉變可能標志著(zhù)全球板塊構造的開(kāi)始，表明全球板塊構造運動(dòng)的啟動(dòng)不可能早于30億年前。
圖1 冰磧巖V同位素組成和時(shí)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(shí)間關(guān)系圖
文章的第一作者分別為田笙諭(地空學(xué)院2018屆碩士畢業(yè)生)和丁昕副研究員，黃方教授和Roberta L. Rudnick教授為共同通訊作者，合作研究人員包括中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）吳非教授、中科院南京地質(zhì)古生物研究所蔡悅研究員、馬薩諸塞大學(xué)Richard M. Gaschnig副教授，地空學(xué)院2019屆博士畢業(yè)生戚玉菡以及在讀博士研究生肖子聰、呂煒昕。該研究得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目(41630206)，國家自然科學(xué)基金杰出青年基金(41235011)和中國科學(xué)院戰略性先導研究計劃(XDB18000000)的資助，也得到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院、中科院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室、中科院比較行星學(xué)卓越創(chuàng )新中心的支持。
論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2220563120
（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）
