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【前沿報道】Science:金剛石中硫化物包裹體的硫同位素組成對板塊構造啓動時間的限定
2019-08-01 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  板塊構造的啓動時間一直存有爭議,是地球科學領域懸而未決的重大問題之一。有兩類比較極端的觀點:一是很早,認爲板塊在冥古宙(> 4.2 Ga)就已開始俯沖進入地幔(Hopkins et al., 2008);二是很晚,認爲板塊俯沖在新元古代(850-800 Ma)才開始(Hamilton, 2011)。目前的主流觀點認爲板塊構造在太古宙開始啓動,其中金剛石及其包裹體的同位素研究在解決這一重大科學問題上起到了關鍵作用。然而,各同位素體系的研究結果仍存在較大差異,如Richardson et al.2001)根據金剛石中硫化物包裹體的Re-Os同位素,將板塊俯沖的啓動時間限定在中太古代末期(2.9 Ga),但是Smart et al.2016)根據南非 Kaapvaal 克拉通中太古宙金剛石的NC同位素,推測現代板塊構造在古太古代(3.5 Ga)已經開始。 

  要回答板塊構造啓動的時間問題需要創新性的思維簣D夹g手段。其中,高精度的硫同位素分析是一種新途徑。其理論基礎是:硫具有四種穩定同位素32S33S34S36S。在火山作用和變質作用過程中,硫同位素組成穩定在33S=36S=0(分別指33S/32S36S/32S相對34S/32S的比值)。在太古宙晚期(2.5 Ga)以前,地幔硫通過火山噴發進入大氣並受到太陽紫外線輻射和光分解作用而發生非質量分餾(MIF),MIF硫以異常的33S>0.2‰)和36S值爲特征。此後,由于地球臭氧層出現,屏蔽了紫外線和光分解作用,MIF現象消失。因此,硫同位素組成可用來追溯硫的起源,MIF硫可用來示蹤岩石圈地幔中來自古老地表的物質,從而揭示大陸板塊的運動方式。 

  近期,美國寶石協會(GIA)、卡內基科學研究所聯合加拿大愛爾伯塔大學的研究人員,采用二次離子質譜儀對産自西非Zimmi沖積平原的六顆金剛石中的硫化物包裹體進行了硫同位素測試,發現其含有MIF硫特征,這一現象爲限定西非克拉通板塊構造啓動時間提供了關鍵約束條件,相關研究成果發表在Science上。 

  根據Re-Os同位素結果,Zimmi金剛石形成于新元古代,其六種硫化物包裹體成分均爲磁黃鐵礦-鎳黃鐵礦-黃銅礦組合。Zimmi硫化物的d34Sd34S=-0.93~+1.76‰、較低的Ni含量和較高的187Os/188Os值指示其硫元素源自地表;同時,d33Sd36S數據表明這些硫元素受到了太古宙大氣硫的混染(圖1。結合Re-Os同位素定年信息可知,Zimmi金剛石形成于兩期俯沖事件:(1)約3.0 Ga前,大陸岩石圈開始發生平板俯沖(智利型俯沖),太古宙地表硫通過洋殼俯沖進入岩石圈,此時大氣硫同位素分餾可能是不穩定的(即具有可變的34S值),導致形成的原始硫化物的硫同位素組成不均勻。在此後的20億年間地幔交代作用過程中,大陸地殼形成、岩石圈地幔生長,俯沖下來的太古宙大氣硫與地幔硫混染,導致大氣MIF硫特征減弱。(2)在新元古代約650 Ma前,在已形成的克拉通之下又發生一期俯沖事件並形成金剛石,這些金剛石將減弱太古宙大氣MIF硫特征記錄下來,之後被金伯利岩岩漿攜帶到地表。 

1  Zimmi硫化物包裹體中硫同位素的33Sd34S值(Smit et al., 2019)。A. Zimmi硫同位素組成與實驗值比較。MIF硫只能由太古宙紫外線輻射和光分解作用産生。B. Zimmi硫化物的硫同位素組成與其它産地金剛石中硫化物包裹體的硫同位素組成比較Smit et al., 2019    

  從全球範圍來看,在太古宙俯沖開始之前,大氣MIF硫沒有進入地幔的渠道。在俯沖作用啓動後,大氣硫才能被吸收進入大陸岩石圈地幔並在金剛石中以硫化物包裹體的形式保存下來。産自加拿大Slave克拉通的古太古代(3.5 Ga)金剛石的硫化物包裹體不含MIF硫(Cartigny et al., 2009),表明冥古宙-太古宙原始Slave克拉通的形成沒有地表硫的參與,即沒有板塊俯沖。隨後在中太古代-新太古代克拉通生長和穩定期間,岩石圈發生馬裏亞納型俯沖,Kaapvaal、津巴布韋和西非大陸岩石圈開始吸收大氣硫,MIF硫特征被保存在年輕的金剛石中。由此可見,MIF硫是大陆岩石圈形成和改造的有力判别依据之一(圖2)。  

2 從硫同位素的角度理解克拉通構造的地球動力學過程(Smit et al., 2019

  現代地球動力學-熱力學研究表明,板塊構造是一個典型的、非平衡複雜體系的自組織系統,是行星熱散逸的一種有效的方式,需要綜合如超高壓變質帶、轉換斷層、岩漿岩地球化學和同位素特征等板塊構造判別依據,並從多角度加以分析,討論這些依據的組合和性質何時首次出現並占據主導地位,爲限定板塊構造的啓動時間提供全面可靠的依據。 

    

  主要參考文獻 

  Cartigny P, Farquhar J, Thomassot E, et al. A mantle origin for Paleoarchean peridotitic diamonds from the Panda kimberlite, Slave Craton: Evidence from 13C-, 15N- and 33,34S-stable isotope systematics [J]. Lithos, 2009, 112S2: 852-864.原文鏈接 

  Hamilton W B. Plate tectonics began in Neoproterozoic time, and plumes from deep mantle have never operated[J]. Lithos, 2011, 123(1-4): 1-20.原文鏈接 

  Hopkins M, Harrison T M, Manning C E. Low heat flow inferred from> 4 Gyr zircons suggests Hadean plate boundary interactions[J]. Nature, 2008, 456(7221): 493.原文鏈接 

  Richardson S H, Shirey S B, Harris J W, et al. Archean subduction recorded by Re–Os isotopes in eclogitic sulfide inclusions in Kimberley diamonds[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2001, 191(3-4): 257-266.原文鏈接 

  Smit K V, Shirey S B, Hauri E H, et al. Sulfur isotopes in diamonds reveal differences in continent construction[J]. Science, 2019, 364(6438): 383-385.原文鏈接 

  Smart K A, Tappe S, Stern R A, et al. Early Archaean tectonics and mantle redox recorded in Witwatersrand diamonds[J]. Nature Geoscience, 2016, 9(3): 255-259.原文鏈接    

  (撰稿:高靜,陳意/岩石圈室)

 
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