陸殼形成時間和機制一直是地學界備受關注的關鍵科學問題，對于了解闆塊構造曆史、大氣和海洋化學演化以及生命演化等科學問題具有重要意義。TTG代表了太古宙陸殼的主要物質組成，但對于TTG是通過俯沖洋殼或加厚下地殼熔融還是通過中-下地殼玄武質岩漿的廣泛分離結晶形成的，學術界仍存在争議。最近有研究通過重矽同位素特征提出，TTG源區需要有表殼物質的加入，并傾向于太古宙的水準構造模式。但現存問題是，通常用來推斷TTG成因的微量元素比值，并不能得到很确切的結論。是以，對于表殼物質（如燧石）是否通過俯沖或其它過程進入了TTG源區仍值得質疑。
針對上述問題，來自巴黎大學的Michael A. Antonelli博士及其合作者提出通過穩定鈣同位素來制約TTG岩漿形成的表面地熱梯度，繼而對古老陸殼形成的構造環境進行判斷。相關成果發表于Nature Communications上（Antonelli et al., 2021）。
作者對已經有其它同位素資料（Si,Hf和Nd）的現代埃達克岩、太古宙的TTG和拉斑質花崗岩類樣品進行了鈣同位素分析。首先，為了更好地說明溫度和壓力升高帶來的相反同位素分餾效應，以及在逐漸熔融過程中TTG源岩中礦物比例和成分的變化，他們将平衡鈣同位素分餾和相平衡模拟研究相結合。研究結果顯示，δ44Ca總體變化趨勢受溫度和壓力之間的對抗制約，即溫度升高，同位素分餾降低；壓力增加，同位素分餾因殘留的石榴石增加而增加(圖1a)。另外，他們發現，多數TTG和現代埃達克岩都可以被500-750℃/GPa的地熱梯度軌迹所解釋（圖1b）。這個地熱梯度範圍和現代熱俯沖的地熱梯度類似，但比直接使鎂鐵質地殼熔融需要的溫度高。
爾後，作者利用濕玄武岩固相線作為溫度下限進行計算（圖1c），得到的結果與以前對TTG成因的預測一緻（Palin et al., 2016），同時也與估計的現代埃達克岩的P-T結果一緻，而現代埃達克岩通常形成于熱/年輕洋殼的俯沖環境。相比之下，加厚下地殼底部熔融發生于更高的地熱梯度下（>700℃/GPa）。是以，利用鈣同位素資料并結合最近的地球實體模型，作者認為太古宙TTG很可能形成于熱俯沖環境（圖2）。
圖1 對虧損的太古宙拉斑玄武岩（DAT）進行的相平衡模拟結果以及與 δ44Ca測量值和現代俯沖帶P-T估計值之間的比較（Antonelli et al., 2021）。（A）地熱梯度對δ44Ca的影響；（B）δ44Ca vs. Dy/Yb模拟結果和資料（彩色數字代表壓力，GPa）；（C）現代熱俯沖帶組合（榴輝岩和藍片岩（Penniston-Dorland et al., 2015）），現代埃達克岩（Hastie et al., 2016）以及太古宙TTG樣品的P-T估計
圖2 由本文資料支援的動力學模型（Antonelli et al., 2021）
此外，作者發現，在他們500℃/GPa這一模型預測之下，有兩個花崗岩類樣品有異常低的δ44Ca，這無法用平衡岩漿過程來解釋，而很可能是由碳酸鹽沉積物所緻（圖2）。是以，本文資料為始太古代早期洋底存在碳酸鹽沉積物提供了獨立證據，将儲存的最老的碳酸鹽單元時間提前了。這暗示了矽酸鹽-碳酸鹽循環在3.8Ga之前就已經存在，并為大量的火山CO2脫氣作用提供了儲蓄地。以上結果對大陸的出現/風化随時間的演化具有重要啟示意義。
最後，作者指出，雖然本文資料不一定證明闆塊邊界彼此連接配接的全球格架（有些闆塊構造是如此定義的）的存在，但他們證明了俯沖事件在太古宙重複出現，與越來越多的證據訓示的闆塊構造于3.5Ga之前啟動的結論（Arndt，2013；Keller et al., 2020; Ptácek et al., 2020）一緻。
緻謝：感謝岩石圈室前寒武紀課題組各位同僚的寶貴修改建議。
主要參考文獻 （上下滑動檢視）
Antonelli M A, Kendrick J, Yakymchuk C, et al. Calcium isotope evidence for early Archaean carbonates and subduction of oceanic crust[J]. Nature Communications, 2021, 12: 2534.（原文連結）
Arndt N T. Formation and evolution of the continental crust, Geochem[J]. Perspectives, 2013, 2: 405-533.
Hastie A R, Fitton J G, Bromiley G D, et al. The origin of Earth’s first continents and the onset of plate tectonics[J]. Geology, 2016, 44(10): 855-858.
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.
Palin R M, White R W, Green E C R. Partial melting of metabasic rocks and the generation of tonalitic–trondhjemitic–granodioritic (TTG) crust in the Archaean: Constraints from phase equilibrium modelling[J]. Precambrian Research, 2016, 287: 73-90.
Penniston-Dorland S C, Kohn M J, Manning C E. The global range of subduction zone thermal structures from exhumed blueschists and eclogites: Rocks are hotter than models[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 428: 243-254.
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.
撰稿：單厚香/中國地震局地質研究所，周豔豔/岩石圈室
美編：陳菲菲
校對：張騰飛 姜雪蛟