研究揭示地球大陆地壳成分演化历史

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院教授黄方课题组和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校教授Roberta L. Rudnick合作，通过冰碛岩和火成岩的钒（V）同位素研究，确定长英质成分主导的陆壳形成于距今30亿年之后。相关研究成果以Dominance of felsic continental crust on Earth after 3 billionyears ago is recorded by vanadium isotopes为题，在线发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

自45.6亿年前地球形成以来，地球经历了漫长的演化和分异。现今的地球是太阳系中唯一一个拥有长英质大陆地壳的类地行星。大陆地壳最初的成分是来自地幔的镁铁质岩浆，而板块运动使得大陆地壳进一步演化，并形成大面积的长英质陆壳。大陆地壳的化学成分变化与地球演化、板块运动和行星宜居性具有重要意义。几十年来，研究根据不同方法得出两种相反的认识。一是太古宙早期以来大陆地壳已是长英质成分主导，二是太古宙中晚期之前大陆地壳成分仍是镁铁质成分主导，从镁铁质向长英质成分的转变发生在太古宙中晚期-元古宙早期。产生争议的主要原因在于采用的地球化学指标具有多解性，V同位素则提供了可靠的方法。

科研人员通过分析俯冲带钙碱性火成岩的V同位素组成，对比全球拉斑和钙碱性火成岩、太古宙绿岩带火成岩的数据，在排除磁铁矿过度结晶的样品后，发现火成岩的δ⁵¹V和SiO₂以及MgO的相关性适用于太古宙的样品。为了探索大陆上地壳成分随时间的变化，该工作进一步测量了冰碛岩V同位素组成。冰碛岩常被用来探索大陆地壳组成，但冰碛岩受到胶结物质以及风化改造的影响，其主量元素不能直接用来指示陆壳成分。作为国际上少数实现高精度V同位素测量的团队之一，黄方团队前期的研究表明，V同位素组成不易受到风化、蚀变改造的影响。冰碛岩的V同位素组成（图1）可用于直接计算其原岩的主量元素含量。研究结合得到的岩浆岩δ⁵¹V-SiO₂-MgO线性关系与冰碛岩V同位素组成，重建了古老大陆上地壳成分（图2），发现了在中太古代（距今~30亿年前）时大陆上地壳依然以镁铁质成分为主，而从镁铁质到长英质地壳的转变发生在距今~30亿年之后。这个成分转变可能标志着全球板块构造的开始，表明全球板块构造运动的启动不可能早于30亿年前。

研究工作得到国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金杰出青年基金和中科院战略性先导科技专项的资助，并获得中国科大地球和空间科学学院、中科院壳幔物质与环境重点实验室、中科院比较行星学卓越创新中心的支持。中国地质大学、中科院南京地质古生物研究所、美国马萨诸塞大学等的科研人员参与研究。

图1.冰碛岩V同位素组成和时间关系图

图2.基于冰碛岩V同位素计算得到的SiO₂和MgO含量与时间关系图