地球早期大陆地壳如何形成、处于何种构造背景，是地球科学领域的国际前沿难题，直接关系到我们对大陆形成演化与板块构造启动的理解。争论的焦点在于，俯冲作用和液态水在太古宙英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG）形成过程中到底扮演了什么角色。一些模型认为，TTG源自含水俯冲洋壳或岛弧下地壳的部分熔融，说明地球早期就已存在某种形式的板块俯冲和岩石圈水平运动；另一些模型则主张，TTG可能形成于地幔上涌或天体撞击等与俯冲无关的构造环境，意味着当时并未出现板块构造。
围绕这一问题，南京大学地球科学与工程学院博士生周荻在葛荣峰教授指导下，联合国内外合作者，于《Science Advances》发表最新研究成果。该研究首次定量揭示了澳大利亚皮尔巴拉克拉通在古太古代（35 – 32亿年前）花岗质岩浆的氧逸度和水含量，发现二者呈现出随时间推移而逐渐升高的演化趋势。这一趋势难以用非俯冲模型解释，却与俯冲驱动的深部水循环过程吻合，从而为认识早期地球构造体制转变及大陆地壳起源提供了关键约束。
澳大利亚皮尔巴拉克拉通历来被视为非俯冲过程形成太古宙大陆地壳的典型区域。本研究运用新近建立的锆石氧逸度-湿度计（Ge et al., 2023, Nature），系统厘定了该克拉通东部古太古代花岗质岩石的岩浆氧逸度（fO2）和水含量（H2O）。结果显示，从35亿年前到32亿年前，岩浆fO2由FMQ -1.0升至+1.4，H2O由3.5 wt%升至9.5 wt%（图1）。尤其值得关注的是，33.2–32.6亿年前样品的fO2和H₂O已接近显生宙俯冲-碰撞带中与斑岩铜矿相关的花岗岩类的特征值。地球化学分析与热力学模拟表明，这种长期且显著的氧化、富水趋势并非由地壳加厚和石榴子石分离主导，而是岩浆源区不断加入氧化、富水物质，从而诱发水致熔融的结果（图2）。上述发现很难用已有的热管、地幔柱、绿岩滴坠或天体撞击等非俯冲模型加以解释，却与俯冲驱动的深部水循环所引发的岛弧地壳深部水致熔融过程相吻合。研究进一步提出，地球早期由地幔上涌驱动的间歇性俯冲和地壳叠置，可能是从“滞盖”（stagnant lid）构造向板块构造转型的过渡性地球动力学体制的关键特征。
相关成果以“Paleoarchean deep crustal hydration and oxidation induced by subduction-driven water recycling”为题，于2026年5月8日在线发表于国际顶尖综合性学术期刊《Science Advances》（论文链接https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aec1040）。该研究由南京大学牵头，联合澳大利亚科廷大学和西澳大学共同完成，南京大学为第一完成单位，博士生周荻为第一作者，葛荣峰教授为通讯作者，合作者包括南京大学连东洋副教授、蔡鹏捷博士、王孝磊教授，以及澳大利亚科廷大学Simon Wilde教授、William Collins教授、西澳大学Anthony Kemp教授。研究得到了国家自然科学基金（42425204，42372228）、国家重点研发计划（2023YFF0804404）、国家科技重大专项（2024ZD1001000）等项目的资助。
图1 澳大利亚皮尔巴拉克拉通古太古代岩浆氧逸度（A）、水含量（B）的演化趋势
图2 岩浆氧逸度和水含量控制因素的热力学-地球化学模拟
图文：周荻
审核：陈天宇
