本次閱讀的文獻為Scientific Reports在2020年刊發(fā)的研究論文““Geochemical evidence for a widespread mantle re-enrichment 3.2 billion years ago: implications for global-scale plate tectonics”。文章主要通過太古代-早元古代玄武巖、科馬提巖中的微量元素比值、εNd值來研究全球范圍內(nèi)俯沖和板塊構(gòu)造過程的開始。

Introduction

盡管板塊構(gòu)造學(xué)說現(xiàn)在已被廣泛接受為地球顯生宙演化的范式，但這些過程何時開始的問題仍然存在爭議。

主要基于地殼研究，范圍從太古代早期到新元古代晚期。

板塊構(gòu)造的一個關(guān)鍵過程是大范圍俯沖。俯沖板附近沉積物和地殼物質(zhì)釋放的流體和巖漿促進了上地幔楔塊的熔融，形成了具有特定微量元素特征的弧玄武巖(如升高的大離子親石元素(LILE): Ba、Pb、U、Sr、as、B和Cs)，反映了弧下地幔的富集。

其中一些陸源物質(zhì)也侵入地幔深部，導(dǎo)致地幔深部LILE和輕稀土元素(LREE)富集，促進了地幔柱玄武巖的地球化學(xué)和同位素非均一性。

人們普遍認為，在板塊構(gòu)造之前，由于缺乏大規(guī)模/全球范圍的陸地物質(zhì)向上地幔和下地幔的再循環(huán)，地球具有相對均勻的地幔成分，缺乏高度不相容的元素(如Ba、Pb、Rb、Cs、Sr和U)，但富含高場強元素(如Nb和Ta)。

因此，由不相容元素和流體活動性元素的富集引起的全球的地幔非均一性的變化，以及上下地幔源物質(zhì)的Nd同位素系統(tǒng)的階躍變化，可以識別全球范圍內(nèi)俯沖和板塊構(gòu)造過程的開始。

因此，追蹤太古宙和早元古代地球上下地幔的同位素和化學(xué)非均質(zhì)性可能為確定板塊構(gòu)造何時開始提供一種新的方法。

地殼再循環(huán)地球化學(xué)示蹤劑

為了確定全球范圍內(nèi)廣泛的地幔再富集發(fā)生的時間，文章通過研究太古宙-早元古代基性-超基性巖石的全球數(shù)據(jù)庫，重點研究了它們的Sm-Nd同位素系統(tǒng)和巖石成因敏感的微量元素比值，來直接研究了地幔的組成。

Sm和Nd具有非常相似的化學(xué)行為。由于Sm/Nd比對蝕變和變質(zhì)作用的影響較強，并且不受晶體分選的顯著影響，因此該比值通常反映了源區(qū)成分。由于虧損地幔富集Sm而非Nd，其Sm/Nd比值(~ 0.5)大于球粒隕石(~ 0.32)和典型大陸地殼(~ 0.2)值。

因此，來自虧損地幔的巖漿中的143Nd/144Nd比值要比來自地殼的當代巖漿高得多。巖漿被動獲取源的143Nd/144Nd初始比值31時，基性/超基性巖石中Nd的差異(143Nd/144Nd初始比值與球粒巖值的相對偏差，Nd = 0)限制了地幔源的演化。隨著地質(zhì)時間的推移，虧損地幔在同位素上向更正的εNd值演化，但地殼向負值演化。

因此，鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石的εNd向不太正的值轉(zhuǎn)變表明了陸地物質(zhì)對地幔源的重大貢獻。

此外不相容的流體活動性元素（FME:Ba、Pb、Rb、Sr和U）與相對不活動性的元素（如高場強元素（HFSE:Nb和Ta）和稀土元素（REE））的比率是沉積物（如Ba/La和Ba/Nb）和大陸地殼物質(zhì)（如U/Nb）再循環(huán)到地幔源區(qū)的流體和巖漿侵入的極好示蹤劑。

在俯沖脫水和弧巖漿作用期間，F(xiàn)ME轉(zhuǎn)移到地殼，但HFSE被角閃石和金紅石等礦物保留在地幔源中。

這種微量元素（具有相似的不相容性，但具有非常不同的化學(xué)行為）對的比值特別有用，因為它們對蝕變/變質(zhì)作用不敏感，并且在部分熔融過程中分餾較少。

因此，在太古代和元古代鎂鐵質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)巖漿產(chǎn)物中，除了Nd同位素外，Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce等比值可以準確地確定其上下地幔源中非均一性的起源時間以及地幔微量元素的變化。

Data

文章主要利用Georoc庫建立了玄武巖(n = 3,127)和科馬巖巖(n = 2,740)的主微量元素(包括稀土元素)數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)選擇：（1）具有年齡限制、樣本ID和地理空間的樣本；（2）玄武巖和科馬長巖的年齡分別為3.8 ~ 2.4 Ga和3.8 ~ 2.0 Ga。（3）玄武巖數(shù)據(jù)庫主要由玄武巖和玄武巖安山巖組成，SiO2為40 ~ 55 wt%， MgO <12 wt%，總堿(K2O + Na2O) <5 wt%。

為了獲得地幔衍生熔體微量元素比例的最佳分布估計，并最大限度地減少采樣和保存偏差，我們使用Matlab MIT開源代碼(https://github.com/brenhinkeller/StatisticalGeochemistry)，按照Keller和Schoene的方法，對選定的數(shù)據(jù)庫進行了加權(quán)自舉重新采樣。

Results

圖1顯示了跨越古太古代到中太古代過渡期（~3.2 Ga）的玄武巖和科馬提巖的εNd值范圍的顯著變化。

在~3.2 Ga之后，玄武巖和科馬提巖的εNd均值從?1.5（~3.0 Ga）下降到?8.0（~1.7 Ga）

該分析為全球范圍內(nèi)鎂鐵質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)巖石地幔源的準同生污染/再利用提供了有力的證據(jù)，從上地幔約3.2 Ga之后開始（根據(jù)玄武巖推斷），但也影響下地幔（根據(jù)科馬提巖推斷），因為富含LREE的地殼物質(zhì)的流入產(chǎn)生了負的εNd值。

玄武巖和科馬提巖的微量元素比率（即Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce）被廣泛接受，以跟蹤陸地物質(zhì)進入地幔源的再循環(huán)。圖2和圖3顯示微量元素比值隨時間的變化。

在~3.25Ga之后，玄武巖中Ba/La、Ba/Nb、U/Nb、Pb/Nd和Pb/Ce比值的移動平均值突然增加。此外，與年齡在~3.15Ga之前的科馬提巖相比，在~3.15 Ga之后的科馬提巖所有比值的平均值都增加。

我們的解釋假設(shè)在3.2 Ga附近沒有劇烈的大陸地殼增長。然而，如果在大約3.2 Ga有一個全球大陸地殼生長的高峰，那么全球板塊構(gòu)造可能早于3.2 Ga就開始了，但由于大陸地殼相對較少，地幔再富集可能不那么明顯。

總的來說，本文認為大約32億年前發(fā)生了一次大的地幔再富集事件，解釋為全球范圍的板塊構(gòu)造開始不遲于那個時間。

文獻原文：https://www.nature.com/articles/s41598-020-66324-y