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【前沿报道】Science:金刚石中硫化物包裹体的硫同位素组成对板块构造启动时间的限定
2019-08-01 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  板块构造的启动时间一直存有争议,是地球UU快三科学领域悬而未决的重大问题之一。有两类比较极端的观点:一是很早,认为板块在冥古宙(> 4.2 Ga)就已开始俯冲进入地幔(Hopkins et al., 2008);二是很晚,认为板块俯冲在新元古代(850-800 Ma)才开始(Hamilton, 2011)。目前的主流观点认为板块构造在太古宙开始启动,其中金刚石及其包裹体的同位素研究在解决这一重大UU快三科学问题上起到了关键作用。然而,各同位素体系的研究结果仍存在较大差异,如Richardson et al.2001)根据金刚石中硫化物包裹体的Re-Os同位素,将板块俯冲的启动时间限定在中太古代末期(2.9 Ga),但是Smart et al.2016)根据南非 Kaapvaal 克拉通中太古宙金刚石的NC同位素,推测现代板块构造在古太古代(3.5 Ga)已经开始。 

  要回答板块构造启动的时间问题需要创新性的思维和技术手段。其中,高精度的硫同位素分析是一种新途径。其理论基础是:硫具有四种稳定同位素32S33S34S36S。在火山作用和变质作用过程中,硫同位素组成稳定在33S=36S=0(分别指33S/32S36S/32S相对34S/32S的比值)。在太古宙晚期(2.5 Ga)以前,地幔硫通过火山喷发进入大气并受到太阳紫外线辐射和光分解作用而发生非质量分馏(MIF),MIF硫以异常的33S>0.2‰)和36S值为特征。此后,由于地球臭氧层出现,屏蔽了紫外线和光分解作用,MIF现象消失。因此,硫同位素组成可用来追溯硫的起源,MIF硫可用来示踪岩石圈地幔中来自古老地表的物质,从而揭示大陆板块的运动方式。 

  近期,美国宝石协会(GIA)、卡内基UU快三科学研究所联合加拿大爱尔伯塔大学的研究人员,采用二次离子质谱仪对产自西非Zimmi冲积平原的六颗金刚石中的硫化物包裹体进行了硫同位素测试,发现其含有MIF硫特征,这一现象为限定西非克拉通板块构造启动时间提供了关键约束条件,相关研究成果发表在上。 

  根据Re-Os同位素结果,Zimmi金刚石形成于新元古代,其六种硫化物包裹体成分均为磁黄铁矿-镍黄铁矿-黄铜矿组合。Zimmi硫化物的d34Sd34S=-0.93~+1.76‰、较低的Ni含量和较高的187Os/188Os值指示其硫元素源自地表;同时,d33Sd36S数据表明这些硫元素受到了太古宙大气硫的混染(图1。结合Re-Os同位素定年信息可知,Zimmi金刚石形成于两期俯冲事件:(1)约3.0 Ga前,大陆岩石圈开始发生平板俯冲(智利型俯冲),太古宙地表硫通过洋壳俯冲进入岩石圈,此时大气硫同位素分馏可能是不稳定的(即具有可变的34S值),导致形成的原始硫化物的硫同位素组成不均匀。在此后的20亿年间地幔交代作用过程中,大陆地壳形成、岩石圈地幔生长,俯冲下来的太古宙大气硫与地幔硫混染,导致大气MIF硫特征减弱。(2)在新元古代约650 Ma前,在已形成的克拉通之下又发生一期俯冲事件并形成金刚石,这些金刚石将减弱太古宙大气MIF硫特征记录下来,之后被金伯利岩岩浆携带到地表。 

1  Zimmi硫化物包裹体中硫同位素的33Sd34S值(Smit et al., 2019)。A. Zimmi硫同位素组成与实验值比较。MIF硫只能由太古宙紫外线辐射和光分解作用产生。B. Zimmi硫化物的硫同位素组成与其它产地金刚石中硫化物包裹体的硫同位素组成比较Smit et al., 2019    

  从全球范围来看,在太古宙俯冲开始之前,大气MIF硫没有进入地幔的渠道。在俯冲作用启动后,大气硫才能被吸收进入大陆岩石圈地幔并在金刚石中以硫化物包裹体的形式保存下来。产自加拿大Slave克拉通的古太古代(3.5 Ga)金刚石的硫化物包裹体不含MIF硫(Cartigny et al., 2009),表明冥古宙-太古宙原始Slave克拉通的形成没有地表硫的参与,即没有板块俯冲。随后在中太古代-新太古代克拉通生长和稳定期间,岩石圈发生马里亚纳型俯冲,Kaapvaal、津巴布韦和西非大陆岩石圈开始吸收大气硫,MIF硫特征被保存在年轻的金刚石中。由此可见,MIF硫是大陆岩石圈形成和改造的有力判别依据之一(图2)。  

2 从硫同位素的角度理解克拉通构造的地球动力学过程(Smit et al., 2019

  现代地球动力学-热力学研究表明,板块构造是一个典型的、非平衡复杂体系的自组织系统,是行星热散逸的一种有效的方式,需要综合如超高压变质带、转换断层、岩浆岩地球化学和同位素特征等板块构造判别依据,并从多角度加以分析,讨论这些依据的组合和性质何时首次出现并占据主导地位,为限定板块构造的启动时间提供全面可靠的依据。 

    

  主要参考文献 

  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. 

  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. 

  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. 

  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. 

  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. 

  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.    

  (撰稿:高静,/岩石圈室)

 
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