鞍山38亿年锆石锂同位素对太古宙地壳性质的约束

Early Earth processes are one of the most important aspects in the Earth Sciences. The Archean Anshan Complex (AAC) in China is one of the few rock units worldwide exposing a consecutive Archean geological record from ca. 3.8 to 2.5 Ga ago. It therefore provides an ideal place to study Archean crust formation and evolution. δ7Li is one of the newly developed, non-traditional stable isotope tracers, that has gained increasing significance in fingerprinting weathering/fluid processes and has profound implications for recycling of continental crust during early Earth processes. The original isotopic information in ancient rocks may be strongly modified or overprinted by the long geological process. Even the isotopic system in zircon, one of the most robust minerals, may be affecterd by radiation damage. Using an inherent multi-isotopic system to evaluate the robustness of zircon is one way, but the assessment is complicated and time-consuming. This study will develop a new and efficient method to discriminate between radiation- damaged and pristine zircon and screen for robust data. Li-in-zircon in-situ isotopic analysis will be conducted on selected zircon grains and combined with whole-rock Li isotopes in order to discuss the Li isotopic composition of 3.8 Ga rocks in the Anshan area. The study will use zircon geochronology and the Li-O-Hf multi-isotopic system as well as petrology and whole-rock geochemistry to define the source of the ancient rocks in Anshan and to provide insight into weathering/recycling processes in the early Earth.

地球早期演化是地学研究关注的热点问题。中国鞍山为少数存在古老岩石的地区，罕见的保存了38-25亿年连续太古宙地质记录，是研究地球早期历史和陆壳演化的理想区域。δ7Li作为新兴的非传统稳定同位素，可以对风化/流体作用进行有效示踪，从而对陆壳再循环进行很好的约束。然而早期原生同位素信息受到漫长的地质过程的强烈改造，很少能保存下来，即使是抗风化蚀变强的锆石也因受放射性的影响导致晶格受损。现阶段通过各同位素体系间相互印证来对老锆石数据进行筛选，工作量巨大，成本高昂。本研究通过对古老锆石进行全面的放射性损伤研究，提高甄别效率，进而对选出的锆石进行微区原位Li同位素测定，结合全岩Li同位素，分析鞍山地区38亿年岩石Li同位素组成。通过锆石U-Pb定年及Li-O-Hf 多元同位素体系示踪，结合岩相学和主微量元素，深入研究鞍山地区古老岩石物质来源，为地球早期风化作用/再循环作用的存在与否提供新证据。

锂同位素地球化学的研究近年来发展非常迅速，但是该领域的研究远非成熟。一些重要的问题尚需深入探讨，尤其是对锂同位素分馏、扩散机制的认识，对于锂同位素示踪应用、数据解释的合理与否等起着至关重要的作用。.本项目通过Cameca 1280HR 在原有的锆石氧同位素和定年分析基础上进行Raman光谱分析，对放射性损伤筛选方法进行验证，为获得可靠数据及合理的解释提供依据。研究结果表明，拉曼光谱波数和半高宽可以定性筛选出受放射性损伤严重的锆石颗粒，但目前束斑分辨率下，由于拉曼光谱束斑远小于SIMS以及LA分析束斑，光谱峰形与U、Th含量、Th/U以及放射性损伤理论计算值Ddpa之间，并无定量关系；光谱谱峰表现良好的锆石颗粒同样存在异常的U-Pb年龄以及Hf/O/Li同位素比值，可能由于这部分古老锆石后期发生了完全或部分的重结晶。对于这些重结晶锆石，拉曼光谱对于其晶格损伤的识别依然有效，但无法作为对其U-Pb年龄以及Hf-O-Li同位素筛选的依据。.在对鞍山古老锆石现有数据进行梳理及放射性损伤评估的基础上，对选定的锆石颗粒开展微区原位锆石Li同位素剖面分析，结果表明，鞍山地区锆石Li同位素变化范围极大，δ7Li大部分在-18~+18‰（最低-28‰），与Jack Hill锆石变化范围（-18~+13‰）基本一致；但鞍山古老锆石Li含量与δ7Li呈明显的负相关，有明显的扩散趋势。通过Neptune Plus对古老岩石全岩样品进行高精度MC-ICPMS 锂同位素分析，全岩Li同位素变化范围落入正常MORB范围，并没有显示出高度风化的原岩混入了早期太古代岩浆特征，无法作为地球早期风化作用/再循环作用的存在的证据。本项目通过Li同位素在鞍山地区太古代岩石与中国东部地区花岗岩中的对比研究认为，鉴于Li同位素在矿物中容易扩散，易受到后期作用的影响，对于古老锆石或者遭受过明显放射性损伤的锆石，Li同位素无法给出矿物结晶时原始同位素信息；对于较为年轻的和/或放射性损伤轻微的锆石颗粒，Li同位素可以作为O同位素的一个很好的补充。Hf-O-Li同位素体系综合示踪，可以对岩石源区进行更好的制约，给出更合理的地质解释。