大陆稳定性的超高温起源：揭示大陆地壳分层与热产元素分异的熔融机制

为解决大陆地壳热产元素（U、Th、K）分层存储的机制问题，研究人员开展超高温（>900°C）部分熔融对地壳分异影响的研究。结果表明，超高温熔体提取可有效驱动U、Th向上迁移，形成上地壳富集、下地壳耗竭的结构，而单斜锆石（monazite）在低温熔融中的稳定性阻碍分异。该研究建立了超高温熔融与稳定大陆形成及超大陆旋回的直接联系，对理解大陆演化具有重要意义。

　　

地球的大陆地壳不仅是山脉的支撑者，还通过硅酸盐风化作用调节气候，是目前已知仅存在于地球的独特构造。大陆地壳的平均成分为中等硅含量（约62 wt.% SiO₂），厚度在20至80公里之间，且相对于洋中脊玄武岩和“原始地幔”富含不相容元素。其中最古老且稳定的大陆地壳——克拉通及周围年龄超过2亿年的稳定地壳——占大陆面积的60%，构成了超大陆的核心，并已保持稳定数亿至数十亿年。大陆地壳的稳定要求放射性生热元素（铀、钍和钾）富集于地壳上部10-15公里，而下地壳这些元素相对耗竭。传统观点认为，汇聚构造活动期间深部地壳的熔融通过关键载体矿物（如单斜锆石和锆石）的溶解，以及花岗质熔体向上迁移和结晶，驱动了热产元素的化学分异。然而，越来越多的实证研究表明，在温度低于900°C时，这些富铀和钍的矿物在部分熔融过程中依然稳定，这引发了新的问题：大陆地壳是如何实现热产元素分层分布的？

放射性生热为地球提供动力，主要来自钾、铀和钍的衰变。现今的生热速率分别为：K为3.39×10^?3 μW kg^?1，Th为26.18 μW kg^?1，U为98.29 μW kg^?1。尽管铀因多种放射性同位素而单位衰变产热更高，但大多数地壳岩石的Th/U > 3（上地壳和整体地壳的Th/U值分别为3.8和4.3），因此现代大陆生热以钍为主导。例如，典型的角闪岩相变泥质岩含有约3 wt.% K₂O、约2 μg g^?1 U和约14 μg g^?1 Th，对应现今元素生热贡献分别为钾约30%、铀约10%、钍约60%。由于衰变速率的变化，地球历史早期铀衰变的产热贡献更高，在超过30亿年前，铀衰变释放的热量超过钍。对于K₂O浓度低于3 wt.%的岩石，⁴⁰K对体积生热的贡献在整个地球历史中均次于铀和钍。

铀和钍在地幔熔融过程中呈不相容行为，因此富集于地壳中。大陆地壳持有约40%的整个硅酸盐地球的铀和钍库存。平均下地壳（这里定义为25公里至地壳底部）的标志特征是相对于具有类似地球化学亲和力的元素（如钡、钾和镧），铀和钍耗竭；平均上地壳则呈现互补的富集。热产元素在大陆地壳中的分层分布也长期基于地表岩石测量生热速率不能代表深部地壳的推断，因为超过30-40公里地壳厚度的深度积分生热会超过在构造稳定大陆地壳观测到的平均热流52±15 mW m^?2（1σ）。

针对下地壳铀和钍耗竭的起源，存在两种竞争性假说：要么下地壳主要由原生耗竭铀和钍的岩石（如超基性堆积岩）组成，要么下地壳由非基性岩石（如变沉积岩和中酸性火成岩）构成，这些岩石在经过部分熔融和富铀钍熔体相移除后变得耗竭。长期认为下地壳主要是基性成分的观点基于捕虏体和麻粒岩相地体的成分、推断的热流和地震波速，但这些约束存在不确定性。全球麻粒岩相成分分析表明，约28%的来自剥落地体的样品（以后太古代样品为主）和14%的麻粒岩捕虏体是过铝质变沉积岩。使用地震P波速度6.9 km s^?1和平均下地壳条件下麻粒岩成分的矿物比例，发现下地壳具有中等成分（约57 wt.% SiO₂）。这些因素暗示下地壳具有中等的平均成分（55-65 wt.% SiO₂），并包含相当比例的过铝质变沉积岩和演化变火成岩。

放射性生热在地壳中的分布受含铀、钍和钾矿物的稳定性控制。在中酸性下地壳岩石中，锆石和单斜锆石是铀和钍的重要载体相。这两种矿物在变质碎屑沉积岩中常见。锆石因抗风化和侵蚀的机械韧性而以碎屑成分形式并入沉积物。单斜锆石在铝质粘土和铁氢氧化物的渐进变质过程中稳定，这些矿物在风化和成岩过程中吸附钍。在沉积岩和变沉积岩类型中，页岩往往具有最高的生热率。由于过铝质变沉积岩的生热率通常比大多数基性岩高一个数量级，下地壳中这些变沉积岩的少量比例仍可主导地壳生热预算。

因此，未成熟大陆地壳的分异需要锆石和单斜锆石的有效溶解，以及随后富铀钍流体或熔体向上地壳迁移。这些副矿物的溶解受多个参数相互作用控制。平衡模拟表明，单斜锆石和锆石在部分熔融的变泥质成分岩石中的溶解预期在麻粒岩相变质作用期间被移除。然而，许多变沉积麻粒岩并未相对于推断的原岩值耗竭热产元素，尽管在700-900°C温度下损失了20-40 vol.%的硅酸盐熔体。少量研究暗示，在更高温度（>900°C）下的熔融和熔体提取导致热产元素的广泛耗竭。本研究检验了超高温变质作用是上地壳富集放射性生热所需的假设。

在经历超高温变质的过铝质变沉积岩和演化变火成岩中观察到明显的成分差异。在低于900°C温度下熔融的高温岩石具有与平均上地壳相似的钍浓度和整体生热率，而超高温岩石则表现出更大的铀、钍和整体生热耗竭。超高温过铝质变沉积岩和演化变火成岩的生热分布中值约为高温对应岩石的一半，且只有超高温成分的生热值显著延伸至平均下地壳的典型范围。这一发现得到以下观察的支持：来自超高温过铝质变沉积岩的石榴石中捕获的熔体包裹体比高温条件下捕获的包裹体具有更高的铀和钍浓度。超高温岩石还表现出轻稀土元素耗竭以及中重稀土元素富集，并且Ba_N/Th_N和Ba_N/U_N的分布跨越平均下地壳范围。这些趋势表明，超高温变质过程中铀钍载体矿物的溶解更为有效，且需要比湿固相线高数百度的温度才能有效地将放射性生热元素从下地壳迁移至上地壳。

单斜锆石优先合并轻稀土元素、钍和铀到共存的花岗质熔体中，这种分配随温度增加而增强。从具有整体地壳成分的下地壳中提取少量单斜锆石缓冲的超高温熔体可以解释上地壳中铀、钍和轻稀土元素的富集以及下地壳中的耗竭。实验室实验表明，超高温熔融产生的熔体分数有利于迁移，而低温熔融产生的熔体分数较小且水含量更高。超高温熔融的实验残留物由石榴石、斜方辉石、斜长石和石英组成，成分类似于大多数体硅含量大于55 wt.%的麻粒岩。假设下地壳厚度为14公里，满足地壳质量平衡所需的超高温熔体体积对应于在活动大陆弧、裂谷和山脉带下发生的超高温熔融。

为了支持下地壳放射性生热预算，变沉积岩和演化变火成岩必须在超过900°C的温度下经历熔体驱动的铀和钍动员。大多数超高温捕虏体和剥落地体记录的峰值压力在0.6 GPa至1.2 GPa之间，类似于大陆弧、裂谷和碰撞带增厚地壳下的莫霍面深度。因此，超高温变质可能发生在大陆弧和裂谷的下地壳，以及碰撞山脉带的中下地壳。超高温地体在35-40公里厚地壳之上的暴露表明这些地体要么在厚造山带的中地壳形成，要么在超高温变质后被俯冲。压力在0.5-0.7 GPa的超高温地体的保存表明超高温变质可以延伸到中地壳深度，这与大陆岩浆弧的高地表热流一致。这一过程也解释了平均中地壳成分中观察到的铀和钍耗竭。

大陆碰撞期间的超高温分异过程如图所示。下地壳中的变火成岩和变沉积岩通过放射性加热和传导松弛达到超高温条件。随着超高温熔体上升和结晶，它们使上地壳富集铀和钍，而在下地壳留下残留的超高温变沉积岩。大陆岩浆弧也促进超高温分异，其中变沉积岩被底侵对抗热地幔。超高温变沉积岩还与新生裂谷的下地壳有关。为了评估超高温熔体对大陆地壳演化的影响，研究人员计算了弧、碰撞带和裂谷中下地壳与上地壳之间的超高温岩浆通量。全球向上地壳的铀和钍通量分别为每年4.8-8×10^?6 Tg铀和每年22-33×10^?6 Tg钍，大陆弧是主要来源。这些超高温处理速率可以在15-27亿年内积累上地壳中观察到的铀和钍质量。

克拉通保存了可追溯至约31亿年的超高温变质证据，且自22亿年以来超高温变质地体的存在与超大陆汇聚和破坏期间的汇聚边缘过程密切相关。超高温熔融分层大陆地壳热产的需求为这些相关性提供了物理机制。虽然分析表明大陆弧是当今超高温处理的主要场所，但情况并非总是如此。增厚大陆地壳中的超高温条件取决于高放射性生热生产，表明大陆碰撞期间的超高温分异在古元古代和新太古代更为常见。新太古代与大陆碰撞相关的超高温地体广泛存在支持了这一观点，当时大多数克拉通稳定且放射性生热是今天的两倍。自从30-35亿年前大陆地壳出现以来，富集铀和钍的稳定大陆地壳的形成涉及未分异下地壳的超高温转变。

主要技术方法包括：全球麻粒岩和捕虏体成分数据编译与分析、全岩地球化学测量（主量和微量元素）、热产率计算（基于U、Th、K浓度和密度）、部分熔融实验模拟（变沉积岩在高压高温条件下）、矿物溶解度动力学研究（锆石和单斜锆石）、热力学模拟（熔体-残留物平衡）、地震波速与地壳成分关联分析、变质温度压力条件评估（使用多种地质温压计）、以及通量计算（基于大陆弧、碰撞带和裂谷的规模与持续时间）。样本来源包括全球范围的剥露变质地形、捕虏体、以及已发表数据集。

超高温熔融对变沉积大陆地壳的分异

研究表明，超高温条件（>900°C）对热产元素分层和地壳稳定至关重要。通过分析部分熔融的变沉积岩和变火成岩，发现超高温下小比例熔体的移除可产生观察到的下地壳U和Th耗竭。低温熔融因单斜锆石在花岗质熔体中的稳定性而无法驱动分异。

单斜锆石溶解的动力学控制

单斜锆石溶解动力学较慢，在低于900°C时阻碍Th的迁移，而锆石溶解较快促进U的平衡。超高温下溶解时间尺度缩短，使单斜锆石溶解与熔体提取时间尺度相当，促进Th的有效提取。

超高温变质的构造环境与压力-温度条件

超高温变质主要发生在大陆弧和裂谷的下地壳（0.6-1.2 GPa），以及碰撞造山带的中下地壳。压力-温度数据与现代大陆弧和裂谷的莫霍面压力一致，表明这些构造环境是超高温分异的关键场所。

全球超高温分异速率与通量

计算表明，大陆弧是U和Th向上地壳输送的主要来源，通量足以在15-27亿年内积累上地壳的当前U和Th库存。碰撞带和裂谷的贡献较小，但共同支持了超高温分异对大陆演化的长期重要性。

研究结论强调，超高温熔融是稳定大陆形成的关键机制，直接链接了克拉通、超高温变质地体和超大陆旋回的形成。这一发现约束了负责地壳分异的构造环境，为理解大陆地壳的化学分异和长期演化提供了新视角。讨论部分指出，尽管其他过程（如地幔衍生岩浆分异、化学风化和侵蚀）也贡献于上地壳组成，但超高温分异在大陆地壳演化中扮演核心角色。该研究不仅推进了对地壳热结构形成的认识，还为地球历史上大陆稳定性的起源提供了统一解释框架。