大陆地壳的形成和演化一直是固体地球科学领域最重要的科学主题之一。现今地球上的大陆地壳大多数并不是近期才形成，而是主要形成于距今25亿年前的太古宙时期。组成太古宙大陆地壳最主要的岩石单元是以英云闪长岩（tonalite）-奥长花岗岩（trondhjemite）-花岗闪长岩（granodiorite）为主的岩套（TTG岩套），大部分因为变质变形作用转变为片麻岩地体，通常占陆壳构成的50%以上，甚至超过80%。因此，大规模TTG岩套的成因，直接指示陆壳生长机制。研究TTG的成因及成分变化规律对于理解大陆地壳的形成和演化，板块构造的启动，甚至是地球宜居性的演化都具有重要意义。
以往的研究认为，TTG岩套的母岩浆是由含水玄武质地壳部分熔融形成，最可能发生在热俯冲带或大洋高原构造环境。其中，热俯冲带环境是早期板块构造体制；大洋高原下地壳环境，最可能发生垂向运动，如滴落、凹沉等（图1），因此被认为是地球早期前板块构造体制的典型。实验岩石学和热力学模拟的结果显示，以基性的拉斑玄武岩作为源岩发生部分熔融形成的熔体，其组成并不完全符合天然TTG的组成，主要是镁含量或Mg#低（图2a）。想要获得与天然TTG相似的镁含量，有如下三种可能：
（1）富镁矿物角闪石、黑云母等的加入。但TTG中角闪石通常作为次要矿物存在。TTG为富钠的酸性岩石，黑云母为富钾矿物，它们的加入无论在岩石学还是地球化学上都偏离了天然的TTG；
（2）岩浆在上升过程中有地幔物质的混染。这一过程需要变质作用和熔融作用发生在较深的位置，有学者认为可以发生在热俯冲带环境。然而数据显示，地球在30亿年前的变质作用绝大多数都在30 km以内。除此之外，地幔岩石除了镁含量高以外，相容元素（如Ni、Cr等）含量也很高。以基性的拉斑玄武岩作为源岩进行部分熔融模拟的结果发现，虽然形成熔体的Mg#低于天然TTG，但是Ni含量却高于TTG（图2b）；
（3）TTG的源岩更富镁。太古宙绿岩带中，除了基性的玄武岩，还广泛存在超基性的科马提岩和苦橄岩（也称为科马提质玄武岩）。相比较基性的玄武岩，这些岩石具有更高的镁含量，更可能是TTG岩浆高镁的源区。然而，它们的部分熔融过程一直没有具体研究，缺少可用资料。解决这个问题，或许可以成为破解TTG岩套成因难题的一个突破口。
图1 （a）Pilbara克拉通东部地质简图，显示花岗-绿岩地体典型的穹窿-龙骨构造（dome-keel）；（b）Pilbara超群地层柱状剖面图，显示绿岩带火山-沉积系列中，发育巨厚的基性-超基性火山岩；（c）垂向构造运动的动力学简图
图2 热力学和实验模拟玄武岩部分熔融形成熔体组分和天然TTG组分对比
为了探索太古宙绿岩中巨厚的基性-超基性火山岩组合在垂向运动过程中的部分熔融是否能够形成更接近天然TTG岩石的熔体组分，中国科学院地质与地球物理研究所黄广宇副研究员、Ross Mitchell研究员、郭敬辉研究员、翟明国院士联合国际学者，在太古宙垂向构造（穹窿-龙骨构造）发育最好的Pilbara克拉通东部，选择Warrawoona绿岩带中的超基性的科马提岩和苦橄岩作为研究对象（图1），结合已有的地球动力学模拟及天然样品变质作用P-T轨迹，展开部分熔融模拟研究（图3）。结果显示，科马提岩在前板块构造体制下不会发生部分熔融，而苦橄岩在前板块构造体制下，能够发生部分熔融，形成20%-25%的富镁熔体。虽然这样的熔体亏损大离子亲石元素，与太古宙TTG的成分不符，但是，如果能够与富含大离子亲石元素的基性的拉斑玄武岩部分熔融形成的熔体发生岩浆混合，这个混合的熔体，其成分与天然TTG成分吻合（图4）。实际上，绿岩带火山岩组合中，巨厚的基性火山岩中广泛存在互层的超基性火山岩，特别是苦橄岩，比例通常远高于容易识别并标出的科马提岩。而且，超基性的苦橄岩发生部分熔融的同时，一定伴随着基性的玄武岩广泛发生部分熔融，两类岩石发生部分熔融，通常就是同一个过程。两类熔体在形成之后的混合作用，也是合乎规律的发展。因此，绿岩带岩石在前板块构造体制下的滴落过程中，完全能够形成与天然TTG一致镁含量的岩浆，并不需要俯冲作用带来地幔物质。
图3 前板块构造体制和板块构造体制下变质作用P-T轨迹对比
图4 苦橄岩、拉斑玄武岩和低镁拉斑玄武岩部分熔融形成的熔体组分及混合熔体组分
该研究进一步证实了下列认识：
（1）绿岩带内的苦橄岩是TTG母岩浆的源岩之一。以往关于TTG母岩浆的源岩为含水拉斑玄武岩的认识是不完整的。拉斑玄武岩部分熔融形成的熔体，不能单独满足天然TTG中的高镁含量和高Mg#特点。绿岩带中与拉斑玄武岩互层产出的苦橄岩在地球早期构造运动中应经历相似过程，它们在部分熔融过程中能够贡献更富镁的奥长花岗质岩浆端元；
（2）太古宙TTG中的高镁特征并不能指示俯冲作用。与部分熔融实验和计算模拟熔体成分相比，天然TTG具有高Mg#，低相容元素Ni的特点，这与地幔物质加入的特点不一致。地球最早期的陆壳岩石完全可以在地壳范围内通过绿岩带岩石的部分熔融形成，并不需要俯冲过程带来地幔物质的加入；
（3）绿岩带岩石的部分熔融不能够形成太古宙赞岐岩。即使是苦橄岩部分熔融形成的熔体也都是酸性岩，SiO2含量超过65%。尽管太古宙的赞岐岩也是富镁的岩石，但其较低的SiO2含量（低至55%）是无法直接由绿岩带富镁岩石直接熔融形成的；
（4）赞岐岩可以作为板块构造的标志。太古宙赞岐岩具有高镁含量且高相容元素，与地幔物质的加入特点相一致。除此之外，赞岐岩高K、Sr、Ba含量的特点指示了赞岐岩的形成与俯冲作用相关，可以作为板块构造的标志。数据显示，太古宙赞岐岩在全球范围内的广泛出露出现在27亿年，可能代表了全球联动的板块构造在27亿年开始。
研究成果发表于国际学术期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth（黄广宇*, Ross N. Mitchell*, Richard M. Palin*, 翟明国, Richard W. White, Christopher J. Spencer, 郭敬辉. Modelling Partial Melting in Sinking Greenstone Belts With Implications for Archaean Continental Crust Formation [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2025, 130: e2024JB030204. DOI: 10.1029/2024JB030204.)。
