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梅清风等-GCA:太古宙硅酸盐地球均一化的W同位素证据及对地球构造体制转换的制约
2020-06-22 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球早期演化是地质学研究的前沿热点之一,其主要研究对象是冥古宙和太古宙的古老地球样品,这些样品通常被后期地质作用所改造,传统地球化学分析方法很难获得原始信息。短寿命放射性衰变体系能够获取古老样品的原始信息,182Hf-182W短寿命放射性衰变体系的半衰期仅8.9 Ma,其放射性母体182Hf仅存在于太阳系历史的最初60 Ma内。自182Hf灭绝后,体系不再产生放射性成因182W的积累,因此体系的182W/184W比值受后期地质过程影响较小,可记录与地球早期演化有关的地质事件。 

  根据182Hf-182W体系的上述特点,前人对地球古老样品进行了W同位素研究,在获得了早期地幔分异和后增生作用的新证据的同时,也提出了重要的科学问题:全球范围内,地幔W同位素组成随时间的变化是否具有一个普遍的规律?针对这一科学问题,中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室博士生梅清风与其导师杨进辉研究员等率先在国内建立了高精度Hf-W同位素分析技术(Mei et al., JAAS, 2018),并利用这一技术分析了来自Slave克拉通、Kaapvaal克拉通和华北克拉通40-29亿年的中酸性岩石样品的W同位素(图1),拟从时间维度上理解早期地幔分异与W同位素均一化的进程。 

  结果显示,Slave克拉通Acasta片麻岩杂岩中的40亿年奥长花岗质片麻岩和华北克拉通鞍山38亿年的奥长花岗质片麻岩和奥长花岗岩均具有μ182W正异常,标志着38亿年前地幔与后增生物质尚未完全混合;鞍山38亿年岩石样品同时具有μ142Nd正异常,揭示了太阳系形成后的60Ma内发生的地幔分异,这是由于早期地幔分异产生的亏损区域具有高的Hf/WSm/Nd比值,经182Hf146Sm的衰变形成μ182Wμ142Nd的正异常(图2)。他们的研究表明,地幔中W同位素异常可保存较长时间,在36亿年前地幔的混合效率低,与此时地球以局部物质垂向运动为主导的构造体制相对应(图3A)。 

  与之相比,年龄小于36亿年的样品通常都具有与现今地幔值一致的W同位素组成,包括Barberton绿岩带的奥长花岗质片麻岩、钾质花岗岩和角闪岩以及鞍山地区33-29亿年的TTG岩石,是迄今为止地球上发现最老具有现今硅酸盐地球W同位素组成的样品,标志着地球自36亿年开始出现地幔混合效率的提高,地幔W同位素开始均一化,这种高效率地幔混合标志着地球上俯冲作用的起始,代表了地球上构造体制开始由垂向运动为主的构造体制转变为以水平运动为主的板块构造体制,这一过渡期至少持续到27亿年(图3B)。36-27亿年之后,全球尺度的现代板块构造体制形成,地幔高效对流,不同W同位素组成的区域充分混合,最终形成了现今W同位素组成相对均一的地幔(图3C)。 

1 地球样品(>2.5 Ga)的W同位素组成 

2 早期地幔分异产生的亏损区域具有高Hf/WSm/Nd比值,182Hf146Sm衰变后产生耦合的182W-142Nd正异常 

3 地球W同位素组成与构造体制的转换。A.以垂向运动为主导的构造体制;B.局部俯冲,向板块构造过渡;C.现代板块构造

  研究成果发表于国际权威学术期刊GCA。(Mei Q F, Yang J H*, Wang Y F, et al. Tungsten isotopic constraints on homogenization of the Archean silicate Earth: Implications for the transition of tectonic regimes[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 278: 51-64.DOI: 10.1016/j.gca.2019.07.050)(原文链接 

 
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