NC：Jack Hills锆石微量元素反演早期地殼組成

“地球黑暗時期（地球誕生後最初的5億年，4.5-4.0 Ga）究竟發生了什麼”是21世紀固體地球科學的十大研究問題之一（美國國家科學院固體地球科學重大研究問題委員會，2010）。在澳大利亞Jack Hills地區的變沉積岩中，保留了大量地球早期的碎屑锆石（以下簡稱Jack Hills锆石），其中最古老的年齡可達4.36 Ga。因而Jack Hills锆石成為了探索地球黑暗時期地質演化的最重要窗口。

近20年來，研究者利用各類地球化學方法（例如Ti溫度計、REE氧逸度計、O同位素、Hf同位素、Li同位素、包體礦物等）探索保存在Jack Hills锆石中的早期地球的地殼組成信息。然而，關于早期地球的地殼組成和形成機制仍未有定論。例如，早期地球的地殼是鎂鐵質的還是長英質的？有沒有沉積物加入早期地球的岩漿源區？Jack Hills锆石的母岩漿是TTG，俯沖有關的弧岩漿，闆内鎂鐵質岩漿，還是沖擊成因的岩漿？

近期，研究者發現Jack Hills锆石的微量元素組成中蘊含了早期地球的地殼組成信息。其中最有代表性的工作為2017年澳大利亞國立大學的Andrew Berry教授課題組發表于Nature Geoscience的研究以及2020年澳大利亞麥考瑞大學Simon Turner教授及其合作者發表于Nature Communication的研究，兩者都通過構建判别圖解的方法，嘗試探索Jack Hills锆石的母岩漿組成。

前者建立了锆石微量元素的REE Y vs P圖解（圖1a），并且發現Jack Hills锆石的微量元素組成在圖解中明顯不同于S型花崗岩锆石（往往P＞20μmol/g）而接近于I型花崗岩锆石（往往P＜20μol/g），推斷Jack Hills锆石的母岩漿成分可能更接近I型花崗岩，即類似于TTG（Burnham and Berry，2017）。後者通過使用分配系數将锆石微量元素轉化為熔體微量元素，進而運用經典的Pearce圖解（圖2）示蹤Jack Hills锆石的母岩漿成分（Turner et al., 2020），最終得出Jack Hills锆石的母岩漿與現代俯沖環境的弧岩漿（安山岩）相近的結論。

圖1 Jack Hills锆石微量元素組成與I型花崗岩锆石和S型花崗岩锆石的對比 (Burnham and Berry, 2017)

圖2 Jack Hills锆石的母岩漿成分與沖擊成因岩漿（Sudbury）、TTG、現代不同構造背景岩漿（弧、洋中脊、洋島）的對比 (Turner et al., 2020)

基于Jack Hills锆石的微量元素組成，兩個研究團隊得出早期地球的地殼具有完全不同的成分（TTG vs 安山岩），這意味着其中至少一個研究是不可靠的。幸運的是，我們有機會看到其他研究者和評審專家對這兩篇文章的評述。其中Bell (2017)在Nature Geoscience撰文指出，REE Y vs P圖解在P＜20μmol/g的區域具有顯著的重疊（圖1b），大大削弱了其預測Jack Hills锆石母岩漿成分的準确性，其結論無法支持絕大多數Jack Hills都結晶自TTG的結論。Turner et al. (2020)的審稿人2委婉指出，使用分配系數反演Jack Hills锆石母岩漿成分的可靠性是難以評估的(I can’t evaluate if these composition estimates are robust or how dependent they are on the choice of partition coefficients) 。

綜上所述，這兩篇Jack Hills锆石微量元素研究雖然為早期地球的地殼組成提供了一定的參考和制約，但由于本身存在一定的問題，使其難以真實準确地揭示早期地球的地殼組成。事實上，锆石微量元素組成的影響因素是非常複雜的，它不僅僅受岩漿成分的控制，還會受到諸如岩漿演化（例如礦物的分離結晶）、包體礦物、後期蝕變、晶格結構（例如晶格應變模型）等因素的影響（Zou et al., 2019）。因此，從锆石微量元素中提取出能夠真實反映岩漿組成的信息，是利用Jack Hills锆石微量元素反演早期地球的地殼組成的核心前提。這要求研究者從原理上進一步深化對锆石微量元素形成機制的認識、進一步加深對锆石微量元素指标和圖解主控因素的認識。但無論如何，锆石微量元素正日益展現出示蹤岩漿組成與岩漿過程的巨大潛力。

參考文獻

1.美國國家科學院固體地球科學重大研究問題委員會.地球的起源和演化——變化行星的研究問題[M]. 張志強，鄭軍衛，王天送等譯.北京: 科學出版社, 2010.

2.Turner S, Wilde S, Worner G, et al. An andesitic source for Jack Hills zircon supports onset of plate tectonics in the Hadean[J]. Nature Communications, 2020, 11: 1241.

3.Burnham A D, Berry A J. Formation of Hadean granites by melting of igneous crust[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(6): 457-461.

4.Bell E. Petrology: Ancient magma sources revealed[J]. Nature Geoscience, 2017, 10(6): 397-398.

5.Zou X, Qin K, Han X, et al. Insight into zircon REE oxy-barometers: A lattice strain model perspective[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 87-96.

（撰稿：鄒心宇，方林茹/礦産室）

【相關解讀：最古老锆石結晶自安山質熔體——闆塊構造起始于冥古宙的證據？】

美編：徐海潮

校對：張 崧

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