PNAS：南非冥古宙碎屑锆石可能形成于洋岛环境

PNAS：南非冥古宙碎屑锆石可能形成于洋岛环境

冥古宙（45-40亿年前）是地球诞生后最初的5亿年。由于地球上几乎没能保存下这个时期的岩石，人们只能依赖于碎屑锆石来探索早期地球的地质历史。在所有具有冥古宙年龄的碎屑锆石中，超过95%都来自于澳大利亚的JackHills地区，因此人们对早期地球的了解很大程度上依赖于对Jack Hills锆石的研究。

事实上，除了Jack Hills地区之外，地球上还有14个地区报道了冥古宙碎屑锆石，这些古老碎屑锆石主要分布在澳大利亚、加拿大、格林兰、中国、印度、南非、巴西和圭亚那（Harrison, 2020）。Drabon et al.（2021）的研究团队在2018年首次识别南非冥古宙碎屑锆石的基础上（Byerly et al., 2018），对这些古老碎屑锆石开展了微量元素研究，并将其与Jack Hills锆石和显生宙（<5.4亿年）不同构造背景锆石的微量元素组成开展对比研究，尝试解译这些古老锆石形成的构造背景。

首先，研究者根据U/Yb比值将这些古老碎屑锆石分为两类，U/Yb比值集中且偏低（0.13＜U/Yb＜0.19）的锆石（5颗）和U/Yb比值高一些（U/Yb＞0.27）的锆石（10颗）分别被划分为Group I和Group II锆石（图1）。之后，研究者将两类锆石的微量元素组成放入显生宙锆石构造背景判别图解（Grime et al.,2015）中，发现南非大多数锆石的微量元素组成接近地幔来源的锆石，尤其接近于具有相对不亏损地幔源区的锆石（图1）。此外，Group I锆石相比于Group II锆石有着更高的温度，与地幔锆石的温度更加相近。主要根据锆石微量元素判别图解与结晶温度，研究者判定南非冥古宙锆石最有可能形成于类似现代洋岛环境（如夏威夷、冰岛），不同于当今最常发育锆石的弧环境和大陆环境。

然而，南非冥古宙碎屑锆石是否形成于洋岛环境是存疑的，因为本文至少存在两个疑点，值得进一步推敲：

（1）U/Yb比值仅仅基于15颗锆石的27组微量元素数据。从结果上看，虽然Group I和Group II锆石在各个图解中都有一定的差异，但是差异主要来自U/Yb比值本身（纵坐标），除了U/Yb比值之外，两类锆石在横坐标上（图1b-d）和球粒陨石均一化图解（图1a）中都没有显著的差异。因此，很难判定Group I和Group II锆石分类是有充分依据的，很难排除两类锆石U/Yb比值的系统性差异是样品过少带来的假象。

（2）在长达40亿年的时间内，地球在构造样式、地热梯度等很多方面都发生了显著的变化，基于显生宙锆石微量元素构建的构造背景判别图解是否适用于冥古宙锆石是值得商榷的。虽然作者认为全球大陆岩石的平均U/Yb比值等微量元素指标在0-40亿年没有显著变化，并以此作为显生宙图解适用于冥古宙锆石的主要依据，但是这一依据是非常薄弱的，因为全岩微量元素指标的变化趋势显然无法代表锆石微量元素指标的变化趋势。其一，全岩绝大多数情况下不等同于锆石结晶时的真实熔体（Zou et al., 2019）；其二，同一块岩石标本中不同锆石颗粒之间成分差异巨大。因此，要论证显生宙锆石判别图解能用于冥古宙锆石的构造背景判别，一个更合理的论证方式是首先论证显生宙图解适用于太古宙锆石，之后再将其运用于冥古宙锆石的构造背景判定中。

图1 南非Group I、Group II 碎屑锆石、Jack Hills锆石微量元素与显生宙不同构造背景锆石（阴影部分）的对比 (Drabon et al., 2021)

总而言之，虽然本文首次报道了南非冥古宙碎屑锆石的微量元素组成，为解译早期地球的地质历史提供了全新的不同于Jack Hills锆石的珍贵第一手资料，然而由于样品量和图解适用性等问题，其结论南非冥古宙碎屑锆石最有可能来源于类似现代洋岛环境的结论是存疑的。此外，从本文中可以窥见在运用元素比值开展锆石微量元素研究时存在的系统性问题，即元素比值本身是一个经验性工具，其背后缺乏基础理论（如晶格应变模型、类质同像替代机制），这使得研究者很难定量回答元素比值中蕴含的确切地质含义。在利用元素比值进行分类时，阈值的选择往往也存在可靠性和普适性问题。因此，进一步深化对锆石微量元素含量、比值和指标主控因素的认识，将是准确解译锆石微量元素的必由之路。

【致谢：感谢岩石圈Ross Mitchell研究员与王浩副研究员的宝贵修改建议。】

主要参考文献

Byerly B L, Lowe D R, Drabon N, et al. Hadean zircon from a 3.3 Ga sandstone, Barberton greenstone belt, South Africa [J]. Geology, 2018, 46(11): 967-970.

Drabon N, Byerly B L, Byerly G R, et al. Heterogeneous Hadean crust with ambient mantle affinity recorded in detrital zircons of the Green Sandstone Bed, South Africa [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(8): e2004370118.

Grimes C B, Wooden J L, Cheadle M J, et al. “Fingerprinting” tectono-magmatic provenance using trace elements in igneous zircon [J]. Contributions to Mineralogy and Petrology,2015, 170(5): 1-26.

Harrison T M. Hadean Earth [M]. Springer, 2020.

Zou X, Qin K, Han X, et al. Insight into zircon REE oxy-barometers: alattice strain model perspective [J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 506: 87-96.

（撰稿：邹心宇/矿产室）

校对：陶琴