华北克拉通太古代陆壳演化机制的Mg同位素示踪

The early continental crust is dominantly made up of sodic Archean TTG rocks (Tonalite, trondhjemite and granodiorite). The composition of continental crust shows an abrupt transition towards more potassic at the late Neoarchean, in good agreement with the generation of potassic granitoids at the end of Archean. It is still a considerable debate what the processes caused such compositional transition and increased the crustal maturation. Is it resulted by reworking of the TTG crust alone, or recycling of the supracrustal sedimentary rocks into the magma sources? Recent studies demonstrated that magnesium (Mg) isotopes are a powerful tracer for recycled supracrustal materials in the magma sources. Thus, Mg isotopes would detect the signature of the sedimentary components in the magma sources of both TTGs and potassic granitoids emplaced at different period throughout Archean. Then detailed studies of petrogenesis of Archean intrusive rocks in the North China Craton, the largest and oldest cratoinc block in China, can provide constraints on the mechanism responsible for the evolution of Archean continental crust. This work will be focused on: (i) the area of eastern Hebei and western Liaoning with large volumes of Neoarchean TTGs and potassic granitoids, and (ii) the Anshan-Benxi area with the Paleo-, through Meso- to Neoarchean plutonic rocks of TTGs and potassic granitoids widely distributed. Finally, evaluate the contribution of crustal rocks reworking versus supracrustal sedimentary rocks recycling to the Archean crustal maturation and evolution.

大陆地壳早期以富钠的TTG岩石（太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗岩闪长岩岩石组合）为主，太古代后期及以后的陆壳却开始明显富钾，陆壳成熟度提高，形成的陆壳岩石以富钾花岗岩为主。但导致这一陆壳成分演化的机制是什么仍是一个有争议的问题。争议的焦点是TTG型陆壳岩石重熔为主，还是风化作用对陆壳成熟度演化起重要作用？近年来的研究证明了Mg同位素是示踪岩浆岩源区表壳物质再循环的有力工具，可以利用其示踪TTG岩石和富钾花岗岩源区的性质，探寻表壳沉积物的踪迹。为此，本项目将选取华北克拉通的太古代TTG和富钾花岗岩开展Mg同位素研究，查明TTG和富钾花岗岩的源区性质，为大陆地壳化学演化机制提供制约。研究区将聚焦晚太古代TTG和富钾花岗岩岩浆活动最强烈的冀东地区，及TTG和花岗质岩石年龄序列发育最完整的鞍山-本溪地区开展研究，判断太古代大陆地壳演化过程中风化作用对陆壳成熟度的贡献。

太古宙地壳成分由早期富钠向晚期富钾演化，成熟度提高，导致陆壳成分演化的机制是以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG）型陆壳岩石重熔为主，还是风化作用使然？针对这一科学问题，本项目分析和对比了华北克拉通中-晚太古代的基性岩、TTG岩石和富钾花岗岩的Mg同位素组成，着重探讨了富钾花岗岩的物质来源及对地壳成分演化的贡献，取得了以下观察和认识：（1）识别出太古宙I型和S型钾质花岗岩，半定量估计了太古宙陆壳中两类的比例，通过对火成岩熔融和风化作用钾富集效率的估算，认为陆壳成分从富钠向富钾演化是熔融和风化过程共同作用的结果，前者的贡献量大，后者钾富集效率更高；（2）探讨了2.9～3.0 Ga和2.5 Ga的S型钾质花岗岩Mg同位素特征差异的原因。鞍山地区2.9～3.0 Ga的钾质花岗岩Mg同位素组成轻（-0.65～-0.02‰），而冀东-辽西地区2.5 Ga的Mg同位素组成非常重（0.60～0.91‰），这种差异很有可能与太古宙陆壳规模的演化有关。3.0-2.7 Ga及以前，陆地面积小，沉积物以海相沉积为主，且陆源碎屑的风化程度和分选程度都相对有限，与2.9～3.0 Ga鞍山S型钾质花岗岩沉积源区既有陆源碎屑同时又含有碳酸盐的特点一致；2.7 Ga之后，暴露面积和现今相当的水平，陆源碎屑风化和分选的程度高，风化彻底，会形成陆源为主的泥质沉积物，导致冀东-辽西地区S型钾质花岗岩具有重的Mg同位素组成；（3）利用Fe同位素在无氧风化中的变化特点，初步讨论了S型钾质花岗岩对地壳氧化性的影响。在太古宙无氧风化条件下，溶离性Fe2+丢失，带走轻的Fe同位素，导致风化残余具有高的Fe3+/ΣFe和重的Fe同位素组成，这种特点会由S型钾质花岗岩继承，与太古宙S型花岗岩具有较重的Fe同位素组成相吻合。太古宙末期，随着S型花岗岩数量明显增多，陆壳的氧化性也随之增强。以上研究表明钾质花岗岩是太古宙一种具有重要意义的岩石类型，它的出现和特点可以为大陆地壳演化提供重要的信息。