冥古宙是地质历史上一个极为特殊的时期，它指的是地球形成初始的5.6亿年（45.6-40亿年间）。由于地球自形成以后经历了强烈的陨石撞击和后期地质构造运动，现今地球上已经很难找到冥古宙时期的岩石记录（仅加拿大Acasta片麻岩一例，形成于40亿年）。目前几乎所有关于地球冥古宙时期演化的研究都基于一种特殊的副矿物——锆石。锆石是一种在中酸性岩浆岩和变质岩中广泛存在的岛状硅酸盐副矿物，它具有极为稳定的内部结构，可以在经历多次变质和部分熔融作用后残存。当地表岩石风化分解后，锆石作为稳定碎屑存在于沉积岩中，从而保留有珍贵的早期地质历史的记录。目前在全球范围内的多处沉积岩中都发现有冥古宙锆石，但其中最著名的是澳大利亚Jack Hills变质砾岩，这是因为，一方面该砾岩中最早发现了冥古宙锆石且年龄最老（最高可达44亿年）(Wilde et al., 2001)，另一方面，该套沉积岩中大量产出古老锆石，年龄范围从44亿年一直延续到33亿年，为研究地质演化提供了连续记录。然而碎屑锆石的研究存在先天不足，其原始的寄主岩石已不复存在，如何通过这些古老的碎屑锆石恢复其结晶时的岩浆成分和性质，从而探究冥古宙时地球的热状态是目前研究的难点和重点。
基于以上问题，澳大利亚Macquarie大学的Simon Turner教授及其合作者对Jack Hills碎屑锆石开展了详细的U-Pb年代学和微量元素分析，在此基础上通过锆石-熔体分配系数计算了母岩浆成分。该计算结果表明，Jack Hills的碎屑锆石结晶自安山质熔体，其平均SiO2含量为59 ± 6 wt.%，Th/Nb比值为2.7 ± 1.9。这些地球化学特征与大陆弧岩浆岩非常类似，显著高于洋中脊玄武岩和洋岛玄武岩（Th/Nb比值小于0.2）（图1）。此外，这些碎屑锆石的母岩浆成分在43-33亿年期间并没有表现出明显的随时间演化的趋势，据此，作者提出现今板块构造可能在冥古宙时已经存在(Turner et al., 2020)。
图1 Jack Hills锆石原岩成分随时间演化关系图（Turner et al., 2020）
值得指出的是，地球板块构造起始于冥古宙并不是一种全新的观点。早期基于锆石Hf同位素和Ti温度计的研究也得出过类似的结论(Harrison, 2009)。基于高场强元素和大离子亲石元素在锆石和熔体间的分配系数计算形成最古老地壳的熔体成分才是本文的一种全新尝试。但是该项研究还是非常初步的，仍有诸多未知因素影响着计算结果。前人基于理论计算、实验分析和经验校正等不同方法获得的锆石-熔体分配系数还存在极大差异(Padilla and Gualda, 2016)，选择不同的分配系数获得的计算结果显著不同。此外，部分高场强元素和大离子亲石元素在锆石中的含量极低（如Nb、Ta和Sr等），该研究中所采取的分析方法精度较低，需要更高精度的分析技术（如SIMS和高分辨LA-ICPMS等）予以验证。需要说明的是，目前并不清楚Nb、Ta和Sr等元素在锆石中的封闭温度。U-Pb同位素体系的封闭并不能确保这些指标性元素体系的封闭，这些冥古宙锆石自形成以后漫长且复杂的演化历史是否已经完全改变了初始的Nb、Ta和Sr等元素信息仍需要研究。更为重要的是，锆石在中基性岩浆中是晚期结晶矿物，由此方法计算获得的平衡熔体并不能代表原始岩浆，更可能反映的是锆石饱和时的熔体成分特征。大数据统计分析揭示，基性岩浆只有在演化至中性成分时才会大量结晶出锆石(Keller et al., 2015)，这可能才是导致所有碎屑锆石（年龄跨度长达10亿年）计算获得的母岩浆都为安山质成分的主要原因。具有与现今大陆弧类似的地球化学特征是否意味着全球板块构造的存在则是另一个值得探讨的逻辑推论。总之，该研究为碎屑锆石的研究开辟了一个新的方向，也为探究冥古宙地球热状态提供了新的视角，值得更多工作予以完善。
主要参考文献
Harrison T M. The Hadean crust: evidence from> 4 Ga zircons[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2009, 37: 479-505.（链接）
Keller C B, Schoene B, Barboni M, et al. Volcanic–plutonic parity and the differentiation of the continental crust[J]. Nature, 2015, 523(7560): 301-307.（链接）
Padilla A J, Gualda G A R. Crystal-melt elemental partitioning in silicic magmatic systems: An example from the Peach Spring Tuff high-silica rhyolite, Southwest USA[J]. Chemical Geology, 2016, 440: 326-344.（链接）
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.（链接）
Wilde S A, Valley J W, Peck W H, et al. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago[J]. Nature, 2001, 409(6817): 175-178.（链接）
（撰稿：王浩/岩石圈室）
