古元古代超大陆旋回通常被认为是从~2.1 Ga的造山运动开始的，伴随全球范围内异常活跃并与俯冲-碰撞有关的2.1–1.8 Ga构造-变质-岩浆活动，形成地球上第一个古元古代超大陆——Columbia（如：Zhao et al., 2002; Zheng and Zhao, 2020; Windely, 2021; 翟明国等, 2021）。在此之前，地球在古元古代最初的几亿年里（~2.42–2.1 Ga），发生了TTG、绿岩带火山岩等岩浆活动的骤减、全球性冰期和大氧化事件，以及构造体制的根本转变（如：Holland, 2002; Condie et al., 2009; Gumsley et al., 2017）。然而，由于超大陆形成之前的地质信息匮乏，导致目前无法明确推断古元古代超大陆旋回开始的时间和驱动因素。
近年来，Zhou et al.（2021）、Zhou and Zhai（2022）及其研究团队（Zheng et al., 2022; Sun et al., 2023）在华北克拉通南缘厘定出~2.35–2.3 Ga TTG（tonalite-trondhjemite- granodiorite）及一系列其他同期岩浆岩（图1），为揭示古元古代早期构造-岩浆活动的阶段性和规律性，以及准确构建古元古代早期构造演化模型提供了关键约束。
图1 （a）华北克拉通太古宙-古元古代地质分布简图（Zhao et al., 2005;Zhai and Santosh, 2011）；（b）华北克拉通南缘太华杂岩地质简图（河南省地质调查研究院, 2014）。2.4–2.0 Ga 岩浆岩数据来自 Zhou et al.（2021）和Zhou and Zhai（2022）
由于TTG是早前寒武纪大陆地壳的主要物质组成，揭示其成因和形成的构造背景对解译早期陆壳增生和构造体制演化至关重要。然而，不同地质历史时期或不同克拉通产出的TTG特征和成因差异明显（如：Moyen and Martin, 2012），部分还经历了一定程度的分离结晶（Liou and Guo, 2019; Smithies et al., 2019），可能指示了早期陆壳演化的复杂性和壳幔源区的不均一性（如：Johnson et al., 2019; Wang et al., 2022）。因此，有效甄别TTG复杂源区性质和成因是解译地球早期陆壳演化机制和构造体制转型的关键。
基于上述科学问题，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周艳艳副研究员、翟明国院士，Ross N. Mitchell研究员,黄广宇副研究员和李仪兵博士，联合澳大利亚莫纳什大学Peter A. Cawood教授、加拿大女王大学Christopher J. Spencer教授、北京大学陈咪咪博士、广州地球化学研究所赵太平研究员和美国俄克拉荷马地质调查局吴腾飞博士，围绕华北克拉通南缘新识别出来的~2.3 Ga TTG，展开Si-O-Hf联合同位素分析，综合年代学、岩石学和数据统编与模拟工作，解析了古元古代早期TTG的成因及其可能的地质内涵。
与典型太古宙TTG相比，~2.3 Ga TTG形成深度较浅，压力更低，源区主要为基性下地壳。通过太古宙平均玄武岩成分进行热力学和微量元素模拟（Qian and Hermann, 2013; Sun et al., 2021），确定了~2.3 Ga TTG母岩浆形成的P-T条件分别为0.95–1.0 GPa和850–928 °C，来源于太古宙玄武质下地壳在高地温梯度下的部分熔融（可高达900°C/GPa）。按照1 GPa约等于33 km的地壳深度，进一步估算出古元古代地壳厚度为32–38 km（图2），明显比新太古代陆壳薄。通过对比重建的活动大陆地壳厚度随时间的演化趋势（图2；Tang et al., 2021），发现元古宙地壳厚度从太古宙-元古宙界线开始一直到元古宙末是持续减薄的。
图2 （a）根据太古宙平均玄武岩部分熔融形成~2.3 Ga TTG熔体的P-T条件，以及根据汇编的2.4–2.1 Ga花岗岩的Sr/Y比值计算的地壳厚度变化（Hu et al.,2017； DM = 0.67Sr/Y + 28.21）；（b）华北克拉通2.9–2.5 Ga地壳厚度变化（Sun et al.,2021）；（c）平均陆壳厚度随时间的演化趋势（修改自Tang et al.,2021）
与已发表的大多数太古宙TTG相比，~2.3 Ga TTG表现出异常的低δ18O和δ30Si值（图3，图4）。经过详细评估放射性损伤对锆石Hf-O同位素的影响、以及后期变质和蚀变可能对全岩Si同位素造成的影响之后，确认~2.3 Ga TTG相对太古宙TTG具有低δ18O和δ30Si的特征来自于其岩浆源区。低δ18O特征可能继承了受地表水高温蚀变改造的太古宙玄武质地壳源区，涉及到的可能机制是该玄武质地壳源区在上部地壳受到高温热液蚀变改造以后被转移埋藏到下地壳位置，并在古元古代早期发生部分熔融形成~2.3 Ga TTG，可能涉及太古宙时期某些形式的块体汇聚过程（Hammerli et al., 2018），也可能是近地表的厚玄武岩层下沉到下地壳位置发生部分熔融形成（Yu et al., 2022）。
图3 本研究（~2.3 Ga）和文献（4.0−1.0 Ga）中的TTG岩石相关图解:（a）δ18O-年龄图解,红线代表火成岩样品的锆石δ18O的移动平均值（组距为50 Myr）。（b）华北克拉通基性下地壳来源的2.9 Ga、2.7 Ga和2.5 Ga，以及2.3 Ga TTG的εHf（t）-年龄图解。（c）华北克拉通基性下地壳来源的2.9 Ga、2.7 Ga和2.5 Ga，以及2.3 Ga TTG的锆石TDM（Hf）图解
图4（a）全岩Si同位素组成与SiO2含量相关性图解（Savage et al., 2011）。（b）~2.3 Ga TTG和已发表的4.0–2.5 Ga TTGs （André et al.,2019; Deng et al.,2019; this study），以及komatiites Si 同位素数据（Deng et al., 2019）；（c）太古宙-古元古代TTG δ30Si-年龄相关图解
~2.3 Ga TTG的δ30Si值较太古宙TTG偏低，但总体变化不大（图4），并且基本位于Si同位素的“火成岩阵列”区域，与熔体和富斜长石残留物之间的平衡分馏非常一致，说明Si同位素主要受晶体-熔体平衡分馏控制，这与太古宙重δ30Si TTG来自硅化的玄武质洋壳部分熔融的机制不同（Savage et al., 2012; André et al., 2019），也未受化学风化、次生矿物蚀变或其他δ30Si异常熔体污染的影响。
综合~2.3 Ga TTG以上特征（如：低压属性、基性下地壳来源及高地温梯度的熔融条件）、同时期发育的2.42–2.2 Ga超基性-基性火成岩和低δ18O A型花岗岩（如：Zhou and Zhai, 2022），以及随后再次爆发的2.2–2.1 Ga裂谷岩浆（如：Condie et al., 2009, 2022; Spencer et al., 2018），作者提出在古元古代早中阶段可能存在一个与同位素异常岩浆活动一致的初始大陆裂谷的开启。
从全球范围来看，地质历史上出现的大部分低δ18O岩浆活动都与板内裂谷或热点有关，尤其是中元古代以来发育的低δ18O岩浆事件在时限上与Rodinia和Pangaea超大陆的主离散期一致，指示其可能与超大陆旋回存在关联（图5）。因此，~ 2.3 Ga低δ18O TTG及其同期岩浆活动可能代表太古宙克拉通/超级克拉通破裂前的板内裂谷岩浆作用，经过长时间的裂谷作用之后，太古宙克拉通/超级克拉通在约2.2–2.1 Ga破碎分散，进而促使全球2.1–1.8 Ga俯冲-造山的启动。同时，由于~2.3 Ga低δ18O TTG及其他岩浆活动的时限与古元古代雪球或“Slushball”地球事件吻合，低δ18O特征不排除有冰川融水的贡献，这为探索深部岩浆过程与表生系统协同发展的耦合机理提供了重要线索和启示。
图5（a）超级克拉通/超大陆旋回、低δ18O岩浆活动的分布规律，以及碎屑和岩浆锆石的δ18O数据及其移动平均值（Spencer et al.,2022）；（b）地球历史上构造运动和气候变化概况（Troch et al.,2020）和低δ18O岩浆活动与超大陆的聚合和离散规律；（c–d）大火成岩省（LIPs）和被动边缘与超大陆旋回耦合特征（Li et al.,2019）
研究成果发表于国际学术期刊JGR: Solid Earth（周艳艳,翟明国,Ross Mitchell,Peter A. Cawood,黄广宇,Christopher J. Spencer,陈咪咪,李仪兵,赵太平,吴腾飞. Low δ18O and δ30Si TTG at ca. 2.3 Ga hints at an intraplate rifting onset of the Paleoproterozoic supercontinent cycle[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2024, 129(3): e2023JB027306. DOI: 10.1029/2023JB027306）。研究受中国科学院战略先导科技专项（XDB0710000）、国家重点研发计划（2023YFF0803802）、国家自然科学基金重大项目（41890831）和澳大利亚研究委员会（FL160100168）的联合资助。
