相比于大洋，大陆是与人类社会更为密切的地质单元，其成因和演化历史也是地球科学领域最基础、最关键也是最前沿的科学问题之一，对于理解塑造地球形态的地球动力学过程、板块构造的启动时间以及与生命起源演化等密切相关的全球氧、磷等元素循环等，具有重要的意义，吸引了大量研究者的目光。然而，目前对于大陆形成和演化历史的认识还远远不够。现代大陆地壳主要是由富硅富铝的偏长英质岩石组成，板块构造体制下的俯冲带，是大陆形成和破坏的核心区域。大量研究表明，最近2-3亿年的时间里，大陆地壳的净生长趋近于零，即大陆地壳的生长和破坏速率相当。但是板块构造在地球形成后的20亿年时间里对于大陆地壳生长的作用，还存在不同认识。大陆地壳究竟是幕式还是持续生长，以及大陆地壳的成分是否随时间发生改变，是造成不同认识的两个根本问题。
最近法国克莱蒙特爱佛涅大学Marion Garcon博士在Science Advance发表研究成果，利用已发表的
全球37亿年以来的粗粒和细粒碎屑沉积岩的全岩147Sm/144Nd和143Nd/144Nd比值，对上述问题进行了研究。
作者首先利用沉积岩的147Sm/144Nd比值对不同时期大陆的硅含量进行了估算（图1）。作者认为现代大陆平均硅含量为66.6wt.%，相对于平均硅含量50.5wt.%的洋壳岩石是高度分异的。作者在收集不同时期沉积岩全岩147Sm/144Nd比值的基础上（图1A），利用标定好的地球不同时期岩石硅含量与147Sm/144Nd比值的协变关系（图1B），构建了地质历史上大陆的平均硅含量（图1C）。在此基础上，作者提出在从37亿年至今，露出海平面的大陆的硅含量基本都在60wt.%以上，与现代大陆相当。对于图1C中31亿年和35亿年所显示的较大波动，作者认为是由于该时期的沉积岩样品太少造成的。即便如此，这两个时期的大陆平均硅含量也在60wt.%以上。这一研究结果，也与Greber et al. (2017), Keller and Harrison (2020)和Ptácek et al. (2020)等的研究结果相吻合。因而文章提出，从37亿年板块构造可能就已经开始影响长英质大陆的形成过程。
图1不同时期岩石硅含量与147Sm/144Nd比值的演化关系（Garcon, 2021）。（A）不同时期沉积岩的147Sm/144Nd比值；（B）太古宙（蓝线）、现代（灰色）和综合不同时期岩浆岩（绿线）的硅含量与147Sm/144Nd比值的协变关系；（C）利用A和B中图解估算的地球不同时期大陆平均硅含量
而后，作者利用沉积岩的143Nd/144Nd比值评估了大陆地壳生长过程（图2）。利用沉积岩143Nd/144Nd比值计算的εNd(T)代表沉积岩形成时的大陆岩石组成（图2A），用εNd（T）计算的Nd模式年龄代表（图2B）当时大陆从亏损地幔抽取的平均年龄。根据前人的定义，也即如果沉积/结晶之后岩石的同位素体系保持封闭，模式年龄应该等于或者大于沉积/结晶时代。作者将大陆的模式年龄进一步分解为初始陆壳、改造陆壳以及循环陆壳等三个部分的效应。在综合考虑三个部分效应的基础上，作者发现初始陆壳的比例在不同的地质历史时期表现出明显的差异，在图2中呈现为一系列的波峰波谷。虽然沉积岩的Nd同位素的记录偏差（如选择性保存以及取样偏差等）也能导致上述的峰谷现象，作者通过讨论排除了这种可能性。在此基础上该文提出大陆经历幕式生长，以及从37亿年至今大陆经历的6次间隔5到7亿年的周期性增生事件，并认为该结果能够与锆石的研究结果相吻合（图3）。
图2 利用沉积岩的初始Nd同位素组成评估不同地质历史时期初始陆壳的相对比例（Garcon, 2021）。（A）利用地层时代计算的Nd同位素组成，εNd(T)；（B）计算的Nd模式年龄；（C）利用Nd模式年龄估算的不同时期初始陆壳的相对含量
图3 本文所获得的大陆生长阶段与前期锆石研究结果的对比（Garcon, 2021）。（A）Voice et al. (2011)给出的锆石年龄分布图；（B）Roberts and Spencer (2015)给出的锆石年龄分布图；（C-D）Voice et al. (2011)和Roberts and Spencer (2015)统计的初始陆壳锆石结果
此外，作者还对大陆呈现幕式生长的原因进行了探讨。虽然在板块构造体制下，当前的大陆净生长趋近于零，作者认为大陆的幕式生长与板块构造体制并不冲突，而是可能对应于周期性的地质事件。不同研究者认为周期性的地质事件可能是超级地幔柱及对应的大火成岩省，或者间隔～5亿年的周期性超大陆循环。但是作者认为大火成岩省50-100 Ma的活动频率以及经常<10 Ma的活动时间，区别于上述的大陆幕式生长；至于超大陆循环，则由于其聚散的时间存在很大不确定性，无法与周期性大陆生长直接对比。基于上述的讨论，作者提出周期性大陆生长可能与板块移动速率的快慢变化有关，该过程直接控制大陆循环和初始陆壳的增生，但是具体机制还不清楚。
本文可能存在的问题如下：
（1）作者论述过程中使用了很多假设，比如假设沉积岩物源区，也即上部地壳的演化历史能够代表整个大陆，计算Nd模式年龄时假设初始陆壳从一个45亿年就开始亏损的地幔中抽取，假设循环的陆壳与改造陆壳具有相同成分等，所有这些假设都可能带来研究结果的偏差；
（2）作者在文中也提出，虽然研究结果表明古老的长英质陆壳再造是35亿年之后的普遍现象，沉积岩的记录则表明37亿年大陆主要是由初始陆壳组成并且陆壳生长是最显著的，而对于37亿年之前的大陆演化历史不能提供足够的约束；
（3）虽然作者对取样偏差进行了相关讨论，但是这方面的因素可能并不能完全排除。大陆之所以出露于海平面之上的一个原因是，大陆岩石密度小于洋壳密度，因而具有显著的浮力。在地质历史上，碎屑沉积岩的源区可以认为总是出露于海平面的大陆部分（最上部陆壳），从浮力的角度考虑，这部分的剥蚀一定是选择性的，具有局限性。而且如果考虑地壳的分层性，大陆地壳总体成分应该是安山质的；
（4）无法否认的是，从地球演化过程中，伴随着一些岩石、矿床类型等的消失，以及新的岩石、矿床类型的出现，如科马提岩、TTG等的消失，钾镁煌斑岩、低温高压变质岩等的出现，如果没有构造体制的演变，仅靠地球降温能否完整解释这一系列转变过程？
主要参考文献
Garcon M. Episodic growth of felsic continents in the past 3.7 Ga[J]. Science Advances, 2021, 7(39): eabj1807.（原文链接）
Greber N D, Dauphas N, Bekker A, et al. Titanium isotopic evidence for felsic crust and plate tectonics 3.5 billion years ago[J]. Science, 2017, 357(6357): 1271-1274.
Keller C B, Harrison T M. Constraining crustal silica on ancient Earth[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020, 117(35): 21101-21107.
Ptácek M P, Dauphas N, Greber N D. Chemical evolution of the continental crust from a data-driven inversion of terrigenous sediment compositions[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2020, 539: 116090.
Roberts N M W, Spencer C J. The zircon archive of continent formation through time[J]. Geological Society, London, Special Publications, 2015, 389(1): 197-225.
Voice P J, Kowalewski M, Eriksson K A. Quantifying the timing and rate of crustal evolution: Global compilation of radiometrically dated detrital zircon grains[J]. The Journal of Geology, 2011, 119(2): 109-126.
（撰稿：赵磊/岩石圈室）
