多同位素体系揭示变质地体复杂Hf-Nd记录：以怀俄明西北部为例

本文推荐研究人员通过整合U-Pb、Lu-Hf和Sm-Nd同位素体系，对怀俄明西北部蒙大拿变沉积地体的变火成岩开展研究，揭示了1.8–1.7 Ga Big Sky造山事件导致的Sm-Nd同位素再平衡现象，并发现锆石Hf同位素保留原始地壳特征而Nd同位素发生重置，为理解古老地体多期变质过程及地壳演化提供了关键方法学启示。

　　

地球最早期的地质历史隐藏在古老的前寒武纪地体中，这些地体如同时间胶囊，保存了大陆地壳形成、改造和再循环的关键证据。然而，解读这些经历多期变质作用的复杂地体面临巨大挑战——不同的同位素体系对热事件的响应各不相同，有些忠实记录原始信息，有些则容易被后期地质过程重置。怀俄明地体西北部的蒙大拿变沉积地体就是一个典型的多期变质地体，其经历了新太古代和古元古代多次岩浆作用、变质作用和变形事件，其复杂的Hf-Nd记录亟待解密。

为了解决这一难题，研究人员开展了一项综合性的同位素研究，通过分析同一岩石样品中的不同矿物相（锆石、石榴石、磷灰石、钛石、独居石），整合U-Pb、Lu-Hf和Sm-Nd同位素体系，旨在重建从岩浆结晶到变质作用乃至同位素再平衡的完整历史过程。该研究最近发表在《Geochimica et Cosmochimica Acta》上。

研究采用了多种先进的分析技术。对六个变火成岩样品进行了系统的矿物分离和鉴定，使用激光剥蚀多接收器电感耦合等离子体质谱(LA-MC-ICP-MS)进行原位Sm-Nd同位素分析，采用激光剥蚀分流技术(LASS)同时获取U-Pb年龄和Nd同位素组成。锆石U-Pb定年和Hf同位素分析、石榴石Lu-Hf和Sm-Nd定年数据引用自团队先前发表的研究成果。所有数据分析均使用Iolite程序和数据还原方案完成，确保了数据的一致性和可比性。

4.1. 岩相学描述和矿物结构

研究的样品包括花岗片麻岩、斜长角闪岩、浅色片麻岩、铝直闪石片麻岩和长英质片麻岩等多种岩性。副矿物组合显示锆石既可作为包裹体存在于石榴石斑晶中，也可存在于基质中；磷灰石在石榴石和角闪石中作为包裹体或基质矿物出现；独居石仅在一个样品中出现，显示轻微的成分不均一性；钛石存在于基质中，颗粒大小变化显著。所有矿物相均未显示重结晶特征。

4.2. 磷灰石和钛石Sm-Nd同位素

Sm-Nd同位素分析显示，所有样品的全岩和矿物相（磷灰石、石榴石、钛石）数据在等时线图上构成连贯的阵列，获得年龄范围为1815±32 Ma至1684±62 Ma。这些年龄略晚于最年轻的锆石种群和石榴石Lu-Hf年龄，表明Sm-Nd系统在Big Sky造山事件期间发生了广泛的再平衡。初始Nd同位素组成显示双峰特征，一个端元接近球粒石值(ε_Nd(i)～?1.7)，另一个端元为强烈亚球粒石值(ε_Nd(i)～?12)，反映了造山过程中幼年地壳和再循环地壳组分的混合。

4.3. 独居石和钛石U-Pb年代学

独居石U-Pb分析获得1781±4 Ma的年龄，与石榴石Lu-Hf年龄一致，记录了峰期变质事件。钛石U-Pb分析获得1713±13 Ma的年龄，低于锆石U-Pb和石榴石Lu-Hf年龄，记录了冷却过程。这些年代学数据为构建该地区完整的构造热历史提供了关键时间约束。

5.1. 怀俄明西北部Nd同位素（再）平衡

综合同位素数据表明，怀俄明西北部经历了从岩浆结晶通过高级变质到同位素扰动的完整演化历史。两个样品记录了相对快速完整的造山旋回，所有系统在短暂时间窗口内达到平衡并保持封闭。其他样品尽管有更复杂的长期历史，但同样在1.8-1.7 Ga期间发生了Sm-Nd再平衡，表明Big Sky造山事件对整个怀俄明西北部地壳产生了普遍影响。

5.2. 新太古代-古元古代岩石中的复杂Hf-Nd记录

研究表明，Lu-Hf和Sm-Nd系统在高级变质条件下表现出截然不同的行为。锆石由于Hf和REE的极低扩散率以及低Lu/Hf比，能够保留原始Hf同位素特征。而全岩Lu-Hf系统容易被石榴石等变质矿物的生长所改变，导致计算的前石榴石生长时期的初始同位素组成出现异常低值。Sm-Nd系统更容易被扰乱，LREE-rich矿物（磷灰石、钛石）在高级变质条件下发生广泛的化学交换和再平衡。

5.3. 古老地体中同位素保存和扰动的模式

与全球其他古老地体的比较表明，皮尔巴拉克拉通是少数能保留原始Nd同位素特征的例子，而大多数太古代地体（明尼苏达河谷地体、阿卡斯塔片麻岩复合体、西格陵兰南部、胶-辽-吉造山带）都显示出Sm-Nd系统在结晶后受到扰动的证据。这种广泛存在的Sm-Nd系统重置现象表明，在高级变质条件下，通过Nd同位素恢复原始地壳特征面临重大挑战。

该研究通过多同位素体系方法，成功揭示了怀俄明西北部蒙大拿变沉积地体的复杂演化历史。研究表明，锆石能够保留原始Hf同位素特征，记录了三期地壳形成事件（～2.7 Ga、2.5–2.4 Ga和1.8–1.7 Ga），而Sm-Nd系统在磷灰石、石榴石和钛石中发生了完全再平衡，记录了1.8–1.7 Ga的Big Sky造山事件。这种同位素行为的差异为了解不同矿物/同位素系统对地质过程的响应提供了新视角。

研究发现的初始Nd同位素组成双峰特征具有重要地质意义，表明Big Sky造山作用既涉及幼年地壳的添加，也包含古老地壳物质的再改造，同时表明造山过程中不同地壳组分之间的机械混合有限。这一发现对理解劳伦大陆古元古代拼合过程提供了关键约束。

更为重要的是，该研究的方法学启示超越了区域地质意义。通过展示如何利用锆石的"记忆"功能和LREE-rich矿物的"重置"特征，该研究为全球古老变质地体的研究提供了范例。这种多体系、多矿物相的综合方法能够有效区分原始地壳形成信号和后期改造叠加，是解密地球早期大陆形成和演化历史的关键工具。

该研究的发现强调，在解释古老地体的同位素数据时，必须谨慎考虑不同系统的保存和重置特性，避免对初始同位素组成做出错误解释。这一认识对准确重建地球早期地壳演化历史具有深远影响，将推动地球科学界对大陆生长和再造机制的理解迈向新高度。