耦合硫-硅同位素揭示太古代大陆的地表起源

地球最初大陆如何成形

地球数十亿年保持宜居，部分原因在于轻质、浮力较大的大陆高于更致密的洋壳。然而，早期地球上首批大型大陆如何形成一直是争论的焦点。该研究通过利用保存在古老岩石中的微妙化学指纹，解决了这一谜题，表明早期大陆是由回收的海底物质而非未受扰动的深部岩浆成长起来的。

由两种截然不同的地壳构成的行星

现代地球表面分为厚而长期存在的大陆与薄且短命的洋底。保存最古老的大陆片段，多为古老克拉通中的浅色花岗质岩，记录了这种对比如何首次出现。许多此类岩石属于所谓的TTG系列，它们富含二氧化硅，形成于超过25亿年前。科学界一致认为，TTG是在含水的暗色岩石深部部分熔融时产生的，但关于这些供体岩石是来自地幔的新鲜岩浆，还是被海水改造的古老洋壳，人们长期存在分歧。

用轻元素解读岩石记录

作者转向两种可作为来源示踪剂的同位素。硅同位素可以揭示岩石成分是否曾与海水相互作用——海水倾向于使硅略微偏向较重的同位素。硫同位素则携带更加独特的信号：在早期无氧的大气条件下，太阳光裂解含硫气体，留下与地球深部过程不同的“质量非依赖性”模式。如果古老花岗岩中的硅和硫同时呈现出地表式的特征，那就强烈表明其原料曾位于地壳近表层并与海洋和大气发生过作用。

来自中国古老岩石的地表故事

研究团队分析了来自华北克拉通鲁西地区的年龄可达27亿年的花岗岩。这些岩石显示出与深部地球硫模式小而一致的偏离，同时其硅明显比典型地幔来源岩浆更重。作者仔细检验了备选解释，例如不同岩浆混合、后期变质或周围岩体污染等，这些过程都无法重现他们观测到的硫与硅的复合信号。相反，数据指向了由被在海底或近海底循环海水改造的玄武质地壳构成的供体，在被掩埋并熔融前曾发生过这种改造。

从堆叠的熔岩平原到有浮力的大陆

为解释被改造的海底如何到达发生熔融的深度，作者偏好“火山堆积”情景。在这一模型中，热地幔柱反复喷发熔岩到地表，形成厚厚的玄武岩堆层，这些堆层在自身重力作用下逐渐下沉。处于近表面的熔岩与海水反应，获得独特的硅与硫指纹。随着被埋深，它们在加热下逐渐失去水分和硫，但硅的信号被保存在岩石中。最终，这些被掩埋并改造的地壳在深处部分熔融，产生富硅的岩浆，上升并固化为最早的大陆块体。

对早期大陆成长的新看法

通过将来自华北克拉通的硫和硅同位素数据与全球古老花岗岩的数据相结合，研究发现年龄小于约38亿年的岩石几乎总是携带这些源自地表的特征。这表明大多数早期大陆是由被水改造并回收的海底而非原始深部结晶残余体形成的。这项工作意味着地表与地幔之间的大规模再循环在太古代早期已然活跃，连接了大气、海洋与深部岩石。这种再循环很可能在漫长的地质时间尺度上帮助稳定了行星环境，促成了支撑今日生命的久存大陆的形成。

引用: Shang, K., Zhang, J., Wang, Z. et al. Coupled sulfur-silicon isotopes reveal supracrustal origin of Archean continents. Nat Commun 17, 4203 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72701-4

关键词: 太古代大陆, 大陆地壳形成, 地表再循环, 同位素地球化学, 早期地球构造