新太古代俯冲驱动流体活动元素循环增强的硼同位素示踪

本研究通过分析全球七个太古宙克拉通花岗岩类样品的硼同位素组成，探讨了早期地表物质深部循环的启动机制。研究发现新太古代以来花岗岩类δ11B值显著增高，指示冷俯冲地温场条件下地表来源硼的深部再循环。该成果为揭示现代深部流体活动元素(FME)和水循环的起源提供了关键同位素证据，标志着新太古代可能是板块俯冲驱动现代地球化学循环的起点。

　　

地球深部循环过程一直是地球科学研究的核心问题，特别是地表物质通过俯冲作用进入地幔的循环机制，对全球流体活动元素（Fluid-mobile Elements, FME）和水的循环起着决定性作用。然而，在地球历史的最初二十亿年间，俯冲作用是否有效运行仍存在争议。追溯现代深部FME循环的起始和演化，需要确定地幔首次在全球范围内被俯冲地表物质改造的时间点。太古宙花岗岩类作为大陆克拉通核部的主要组成部分，保留了地球早期地质过程的珍贵记录，成为研究这一关键问题的理想载体。

研究人员在《Genomics》发表了突破性研究成果，通过硼（B）同位素这一独特的地球化学指标，揭示了新太古代以来俯冲驱动的地表物质再循环显著增强的现象。硼元素因其在地表富集且发生同位素分馏、在地幔中亏损、并通过流体和流体-岩石相互作用而活化迁移的特性，成为示踪早期再循环过程的理想示踪剂。

本研究采用了多学科交叉的技术方法：对来自全球七大太古宙克拉通的35个花岗岩类样品进行高精度硼同位素分析，使用多接收器电感耦合等离子体质谱(MC-ICPMS)技术；通过X射线荧光光谱(XRF)和高分辨率ICPMS进行主量和微量元素分析；利用激光剥蚀MC-ICPMS对锆石进行U-Pb定年以确定岩石形成时代；结合岩相学观察和地球化学指标（如CIA化学蚀变指数、LOI烧失量等）筛选未蚀变样品，确保数据代表原始岩浆特征。

6.1. 岩浆和岩浆后过程对硼体系的影响

研究团队首先系统评估了各种地质过程对硼同位素体系的影响。通过详细的岩相学观察和地球化学指标分析，发现低温蚀变、热液蚀变和变质作用虽然可能影响硼含量，但并未显著改变硼同位素组成。未蚀变的花岗岩类样品显示出较低的硼含量、CIA和LOI值，但其δ¹¹B值变化范围很大，包括显著高于亏损MORB地幔（DMM）的值。不同岩性的花岗岩类（钠质花岗岩、钾质花岗岩和sanukitoids）都观察到了高于DMM的δ¹¹B值，表明这些特征源自岩浆源区而非后期改造。

6.2. 硼同位素体系作为太古宙俯冲作用的示踪剂

研究表明，硼同位素是示踪地表来源物质的敏感指标。现代弧岩浆具有相对于DMM升高的平均δ¹¹B值，这反映了沿俯冲带冷地温场条件下地表物质的深部再循环。太古宙海水同样具有显著正值的δ¹¹B（约+15‰至+30‰），使得硼同位素系统能够有效示踪太古宙岩石记录中的深部再循环信号。研究强调，只有沿足够冷的地温场（类似现代俯冲带条件）才能有效保留地表来源的¹¹B，而较热的地温场（如垂直构造背景）会导致硼在到达熔融深度前完全丢失。

6.3. 太古宙花岗岩类源区中硼的演化

6.3.1. 再循环增强的证据

综合本研究与前人数据发现，太古宙花岗岩类的硼同位素组成随时间发生显著变化。3.0 Ga以前的花岗岩具有较低的硼含量（平均2.1 μg/g）和δ¹¹B值，而较年轻的花岗岩则显示较高的硼含量（平均2.7 μg/g）和δ¹¹B值。约15%的老于3.0 Ga的样品具有高于DMM的δ¹¹B值，而较年轻样品中这一比例达到40%。Sanukitoids虽然硼含量和δ¹¹B值与同时代其他花岗岩类重叠，但平均硼同位素组成更高，反映了地幔源区的混杂作用。

6.3.2. 混合模型

研究建立了三元混合模型来解释花岗岩类的硼同位素特征，端元组分为MORB（或DMM）、海水蚀变大洋岩石圈和碎屑沉积物。该模型成功解释了具有高于DMM的δ¹¹B值花岗岩的成因，表明确实有地表来源的富集¹¹B的物质通过再循环进入了花岗岩源区。

6.3.3. 与太古宙地球动力学转变的联系

δ¹¹B值在约2.8 Ga开始的多样化与 proposed 的重大地质变化期基本一致，包括地壳组成变化、地壳再造和生长增加以及变质条件变化增加等。这些变化被解释为地球动力学体制的转变，从原始停滞盖层或软盖层构造向更现代式的体制过渡，整体板块俯冲的作用日益增强。

6.3.4. 与现代式俯冲过程的一致性

研究表明，新太古代以来，沿冷地温场（ thus 俯冲样式的）的水和FME再循环的特征在幼年花岗岩类的源区中变得越来越突出。Sanukitoids的硼数据也与钛同位素指示的榴辉岩熔体参与sanukitoid生成的观点一致，因为这可能引入了同位素重的硼。数据表明，到新太古代，现代式的水和FME再循环，包括深部硼循环，变得越来越系统化。

7. 结论

本研究证实硼同位素是示踪太古宙火成岩中俯冲驱动的地表蚀变物质再循环的强大工具。太古宙花岗岩类的硼同位素揭示了一个时间趋势，即新太古代以来高于DMM的δ¹¹B值变得越来越普遍。这一趋势最好地解释了为通过俯冲作用再循环水和FME的增加，并且可能全球 representative 为新太古代地球动力学。这些结果表明，现代深部水和FME循环在晚太古代已经开始运行，标志着全球俯冲驱动的地幔污染的开始，并为现代式俯冲的发生提供了一个时间下限。