地球史的秘密守护者:锆石帮助科学家揭示亿万年地质之谜

2024年03月26日 05:57 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

一项新的研究利用碎屑锆石揭示了塑造地球的古老地质过程,从地壳到地幔的再循环到超大陆的形成。这项研究由王锐博士及其博士生吴绍琛(中国地质大学地球科学学院,北京)、Roberto Weinberg博士和Peter Cawood博士(莫纳什大学)以及William Collins博士(科廷大学)领导。

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锆石是一种几乎与地球本身一样古老的矿物,它是时间的记录者,也是了解许多地质现象(如氧化状态)的化学窗口。通过确定形成这些碎屑锆石的岩浆的氧化水平,科学家们能够推断出地壳到地幔循环、风化和超大陆循环的开始时间。来源:中国科学出版社

锆石是一种几乎与地球本身一样古老的矿物,在岩浆(熔岩)冷却时结晶,可在岩浆岩中发现微量锆石。岩浆的形成构成了地球上的山脉。通过与水和大气的相互作用,山脉分解成沉积物。

锆石坚固又稳定,耐风化和侵蚀,很少会消失在历史中,因此沉积物中的这种矿物(所谓的"碎屑锆石")最能让人了解地球的过去。锆石富含铀(U-Pb 测定法),是时间的记录者,也是了解许多地质现象(如氧化态)的化学窗口。

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火成岩源锆石和沉积物源锆石的 ΔFMQ 移动平均值(未显示低于 10% 的比例)与超大陆汞齐化时间间隔。与沉积源相关的岩浆在大约600Ma的周期性中更为减少,并在26亿年时形成。来源:中国科学出版社

研究小组采用了 Loucks 等人(2020 年)的一种新方法来确定花岗岩岩浆的氧化态,该方法利用锆石中 Ce、U 和 Ti 的比率来跟踪地壳岩浆在地球历史上的氧化态变化,该计算方法不需要知道离子电荷,也不需要确定结晶温度、压力或母体熔体成分。

"以前的方法包括Ce/Ce*和Eu/Eu*氧压计,但每种方法都有与温度、压力、主岩化学成分变化或测量Ce/Ce*和Eu/Eu*异常所需的REE元素精度有关的局限性"。来自西澳大利亚的 Bob Loucks 说。

这种改进的氧化仪能够更可靠地评估氧化状态的变化,现在可以从全球构造随时间变化的角度来解释氧化状态的变化。通过确定形成这些碎屑锆石的岩浆的氧化水平,科学家们能够推断出地壳到地幔循环、风化和超大陆循环的开始时间。

关键的一点是,位于地球表面的岩石可以被带回到地幔深处(地表以下数百至数千公里处)。我们的数据表明,这种现象不仅发生在今天,而且可能已经持续了数十亿年。通过观察从地球早期、30 亿年前的锆石到今天形成的锆石,我们发现它们形成时的岩浆氧化还原状态。

碎屑锆石的氧化态(以ΔFMQ表示)在大约35亿年前升高,随后在过去30亿年中平均ΔFMQ>0,这表明大洋岩石圈在最终形成的俯冲带中被回收回地幔。研究表明,氧化还原态的下限在 26 亿年前急剧下降,标志着界限分明的大陆的形成和大洋岩石被埋回地球深部地幔。此外,研究人员还发现了氧化还原模式的周期性:每隔 6 亿年左右,大陆就会聚集在一起形成超级大陆,如冈瓦纳大陆、罗迪尼亚大陆、努拉大陆和苏比利亚大陆。

编译自:ScitechDaily

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