火成磷灰石的地球化学特征表明大陆早期经历了克拉通化过程

《Precambrian Research》：Igneous apatite geochemistry indicates early cratonization of continents

大陆克拉顿化机制研究中，本文通过东卡普瓦尔德克拉通TTG花岗岩中磷灰石的化学与同位素分析，发现其具有LREE富集和低Y/HREE比值特征，表明岩浆形成过程中存在地幔成分的混合，支持克拉顿化早期阶段的地幔贡献。

　　在地球漫长的演化过程中，大陆地壳的形成与稳定是一个关键议题。特别是在太古宙（约40亿至25亿年前），研究其地壳的稳定机制尤为重要，因为这一时期奠定了现代大陆地壳的基础。本文聚焦于太古宙TTG（英云闪长岩-石英二长岩-花岗岩）岩系，这些岩石构成了太古宙大陆地壳的主要部分。同时，研究还涉及晚期太古宙的“闪长岩-碱性岩”组合（即sanukitoids），它们通常被认为是克拉通化的标志。为了更全面地理解太古宙大陆地壳的稳定过程，我们采用了一种新的研究视角，通过对位于东开普瓦尔克拉通中的太古宙花岗岩中火成磷灰石（Ca?(PO?)?(OH,Cl,F)）进行原位分析，研究其主要和微量元素含量以及铀-铅（U–Pb）和锶同位素（Sr）组成。这些研究结果有助于区分这些TTG花岗岩形成的岩浆类型，并判断其是否直接受到地幔成分的贡献。

### 大陆地壳的形成与稳定机制

地球表面存在大量长期稳定的、分异的、长英质的大陆地壳，这是地球与其他天体相比的独特点。早在太古宙（>40亿年前），就有证据表明分异的地壳存在，主要基于杰克山锆石（Jack Hills zircon）群体的发现，其中一些晶体被认为来源于长英质岩浆（如Cavosie等人，2005年）；此外，阿卡斯塔片麻岩（Acasta gneiss）也提供了类似的支持（如Bowring和Housh，1995年；Iizuka等人，2007年；Reimink等人，2016年）。然而，这些太古宙地壳仅占现存太古宙地壳体积的极小部分（?1%），而太古宙大陆地表暴露的岩石主要由≤32亿年的岩石组成。尽管已有明确证据表明太古宙时期大陆地壳的大量生成，但其成因机制以及与地幔（特别是下地壳）的遗传关系仍需进一步探讨（如Pearson等人，2002年；Arndt，2023年）。

“克拉通化”（cratonization）通常指的是太古宙地壳与下地壳之间的共演化过程。克拉通化过程包括低密度长英质大陆地壳的形成以及化学亏损的下地壳的累积，这使得形成的地壳层具有浮力和良好的粘弹性特性，从而能够在地表长期保存（如McKenzie和Priestley，2008年；Arndt等人，2009年）。由于下地壳在太古宙地壳中占据主导地位（大陆地壳+下地壳），因此研究下地壳的化学演化对于理解太古宙地壳的克拉通化过程至关重要。

### 太古宙sanukitoids的特殊性

值得注意的是，大多数太古宙地区在太古宙末期（约28亿至25亿年前）被一种特定类型的火成岩——sanukitoids所侵入。这些岩石具有独特的地球化学特征，包括同时富集地壳元素（如Ba、Sr、稀土元素（REE）、高场强元素（HFSE））和地幔元素（如V、Ni、Cr）。虽然对这一岩系的成因仍存在争议（如Laurent等人，2014年），但普遍认为它们是地幔成分（如交代后的地幔）与地壳成分（如花岗岩±沉积岩）相互作用的产物。由于这种成因，sanukitoids中不会出现典型的铪同位素特征（如Zircon的Hf同位素签名）。然而，sanukitoids被认为是唯一明确显示出地幔贡献的太古宙长英质岩石类型，因此它们的形成和侵入被视为克拉通化的开始，即地幔成分的化学亏损和力学强化（如Kusky和Polat，1999年）。

然而，与太古宙TTG地壳相比，sanukitoids所形成的岩体体积较小（如Martin等人，2005年）。此外，在某些地区，如东开普瓦尔克拉通，虽然显示出厚的地壳根（lithospheric keel），却并未发现sanukitoids。同时，钻石包体的存在也表明在33亿至32亿年前，东开普瓦尔克拉通下可能存在厚达150公里的地壳根（如Richardson等人，1984年）。然而，这些地壳根是否已经与现今暴露的大陆地壳物理耦合仍存疑（如Moser等人，2001年）。因此，要提供这种耦合的证据，需要证明地幔成分直接参与了形成大陆地壳的岩浆来源。

### 东开普瓦尔克拉通的太古宙TTG

东开普瓦尔克拉通是非洲最著名的太古宙地壳暴露区域之一，其地质研究非常深入。该地区的东部由一系列太古宙岩石组成，包括约35亿至32亿年前的沉积岩和火山岩，以及年龄大于32亿年的火成岩，如TTG岩系。相比之下，年龄小于32亿年的火成岩则显示出更高的钾（K）含量，与TTG相比，其中也包含了一些syenite岩石和sanukitoids。这表明在太古宙晚期，该地区的火成岩可能经历了不同的演化路径。

### 研究方法

本研究对东开普瓦尔克拉通中的两个火成岩体——Kaap Valley和Salisbury Kop中的磷灰石进行了详细的原位分析。分析包括厚切片（130微米厚）和常规环氧树脂镶嵌样品。利用电子探针（EPMA，JEOL JXA-iHP200F）获得了磷灰石的阴极发光（CL）和背散射电子（BSE）图像，以及主要和微量元素组成。铀-铅同位素和微量元素分析则通过激光烧蚀（LA）-二次离子质谱（SC-ICP-MS）完成。锶同位素分析则采用LA-多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）方法。所有分析细节及校准材料的结果均记录在电子补充材料（ESM）中，且未对数据进行常见的铅同位素校正。

### 研究结果

对Kaap Valley和Salisbury Kop磷灰石的分析结果显示，它们的稀土元素（REE）含量明显高于地壳中的典型TTG磷灰石，且具有显著的LREE/HREE比值。这一特征与sanukitoids和显生宙I型花岗岩中的磷灰石相似，而与TTG的磷灰石存在明显差异。此外，Kaap Valley磷灰石的氟含量较高（平均3.30%），而氯和硫含量则接近检测极限。这些结果表明，这些磷灰石可能来源于具有地幔成分贡献的岩浆。

在稀土元素标准化图谱中，Kaap Valley和Salisbury Kop的磷灰石表现出明显的LREE富集特征，而Y元素富集程度较低。这种模式通常出现在由地幔衍生的花岗岩或sanukitoids中。此外，磷灰石的Th/U比值和La/Sm比值也表明其与这些岩系的亲缘关系。而ternary图谱进一步支持了这一观点，显示这些磷灰石的化学组成更接近sanukitoids和I型花岗岩，而非TTG和S型花岗岩。

### Sr同位素特征

对Kaap Valley和Salisbury Kop磷灰石的Sr同位素分析结果显示，它们的Sr同位素比值存在显著的异质性。Kaap Valley的Sr同位素比值范围为0.70091 ± 0.00053至0.70382 ± 0.00044，而Salisbury Kop的Sr同位素比值范围为0.70074 ± 0.00100至0.70240 ± 0.00033。这些数据表明，这些磷灰石的Sr同位素比值可能受到后期地质过程的影响，如岩浆的混合或地壳物质的同化。然而，最低的Sr同位素比值接近地球硅酸盐（BSE）值，这表明这些低Sr同位素的磷灰石可能来源于未受后期影响的原始岩浆。

### U–Pb同位素年代学

通过LA-SC-ICP-MS对Kaap Valley和Salisbury Kop磷灰石的U–Pb同位素分析，我们获得了它们的结晶年龄。Kaap Valley的磷灰石U–Pb数据表明其结晶年龄为3243 ± 30 Ma，而Salisbury Kop的磷灰石U–Pb数据则显示其结晶年龄为3109 ± 42 Ma。这些数据与该地区锆石的U–Pb结晶年龄相符，进一步支持了这些磷灰石的火成岩成因。

### 讨论与意义

通过对Kaap Valley和Salisbury Kop磷灰石的微量元素和Sr同位素分析，我们发现这些磷灰石的化学特征与地幔成分密切相关。Kaap Valley的磷灰石显示出较高的Sr同位素比值，接近地球硅酸盐的初始值，表明其可能来源于化学亏损的地幔。而Salisbury Kop的磷灰石虽然Sr同位素比值较低，但其微量元素特征仍显示出与地幔成分的混合。这些结果表明，虽然这些火成岩的总体地壳特征可能未明显显示地幔贡献，但磷灰石的微量元素和Sr同位素特征则清晰地记录了这一过程。

这一发现对理解太古宙克拉通化的意义重大。通常认为，sanukitoids是克拉通化过程的直接证据，但它们的体积较小，难以全面反映整个克拉通化过程。相比之下，TTG地壳的体积较大，因此其内部磷灰石的化学特征可能更有效地记录地幔贡献。例如，Kaap Valley的磷灰石显示其来源于化学亏损的地幔，而Salisbury Kop的磷灰石则可能显示出更小的地幔贡献，但其化学特征仍与地幔成分相关。这表明，克拉通化过程可能在更早的太古宙时期就已经开始，并且通过火成岩中的磷灰石特征得以记录。

### 克拉通化对全球太古宙地壳的意义

太古宙克拉通是现代大陆地壳的基石，它们周围的元古宙和显生宙地壳带在此基础上发展。因此，识别导致这些克拉通在地表长期保存的地质过程，是理解早期地球地壳演化的重要环节。虽然地幔柱活动（mantle plume）可能在太古宙早期促进地幔熔融，但其对大陆地壳的直接贡献并不明显。因此，需要另一种机制来解释地幔的化学亏损。我们提出，最可能的机制是在类似于俯冲带的构造背景下，TTG熔体与地幔成分的相互作用。这一过程可能在太古宙晚期开始，并逐步影响地幔成分，从而促进地壳根的形成和长期保存。

### 结论

综上所述，本研究通过原位分析磷灰石的U–Pb、微量元素和Sr同位素特征，揭示了东开普瓦尔克拉通中TTG花岗岩的成因机制，并指出地幔成分的直接贡献可能早于sanukitoids的侵入和钾质花岗岩的形成。这一发现不仅丰富了我们对太古宙克拉通化的理解，还表明磷灰石的地球化学特征是研究早期大陆地壳成因和克拉通化过程的重要工具。通过分析这些特征，我们可以更好地识别地幔成分的贡献，并理解其在地壳稳定过程中的作用。此外，这一研究也强调了在太古宙地壳演化过程中，地幔与地壳之间的相互作用可能比之前认为的更为复杂和广泛。