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近日，地球和空間科學(xué)學(xué)院黃方教授課題組和美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)的演化和分異?，F(xiàn)今的地球是太陽(yáng)系中唯一一個(gè)擁有長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)使得大陸地殼進(jìn)一步演化，并形成大面積的長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)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(shí)。其一是太古宙早期以來大陸地殼就已經(jīng)是長(zhǎng)英質(zhì)成分主導(dǎo)，另一種認(rèn)識(shí)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(zhǎng)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(zhēng)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(gè)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(duì)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(shí)間的變化，該論文進(jìn)一步測(cè)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(guó)際上少數(shù)實(shí)現(xiàn)高精度V同位素測(cè)量的團(tuán)隊(duì)之一，黃方團(tuán)隊(duì)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(jì)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(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(zhǎng)英質(zhì)地殼的轉(zhuǎn)變發(fā)生在距今~30億年之后。這個(gè)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(yùn)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(jì)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(guó)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41630206)，國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金(41235011)和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計(jì)劃(XDB18000000)的資助，也得到中國(guó)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(yàn)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）