已知的大陸地殼組成中，早前寒武紀基底佔據了地殼總量的75％以上。這些早前寒武紀基底主體由一套英雲閃長岩 (tonalite)、奧長花崗岩 (trondhjemite) 和花崗閃長岩 (granodiorite)為代表的岩石組合構成。江博明等（1981）根據其首字母將這一岩石組合稱為“TTG岩系”。TTG岩系佔據了克拉通變質基底出露面積的80%以上，是太古宙大陸地殼形成與演化的關鍵性地質記錄。研究太古宙時期的大陸地殼演化，很大程度上是研究TTG岩系的成因和演化。儘管目前學界對TTG的源岩成分和所指示的地球動力學背景仍有諸多分歧，但普遍認為，根據其微量元素特徵，多數TTG都是含水鎂鐵質岩石在較高壓力下部分熔融的產物。但實際上，對於大多數中酸性岩石而言，其微量元素組成很大程度上是由副礦物所決定的，而岩漿演化又是一個極其複雜的過程，已有多項研究表明，岩漿演化過程中各類副礦物的參與都極大影響了熔體的微量元素地球化學特徵甚至是同位素特徵。傳統的Sm-Nd/Lu-Hf等同位素分析、微量元素地球化學模擬和相平衡模擬等方法並未考慮副礦物在岩漿演化過程中的複雜行為，因此在某種意義上來說，其結果並不可靠。
考慮到大多數岩石中副礦物本身含量極少，且大部分副礦物又都具有極低的Fe含量，因此副礦物的存在通常不會影響岩漿的Fe同位素特徵。此外，不同的造岩礦物又通常具有不同的Fe同位素分餾係數。因此Fe同位素等非傳統穩定同位素為限制TTG等花崗岩類的源區特徵和演化過程提供了新的工具。
圖1 本次研究的TTG均屬於所謂的“高壓”型，但多數TTG的δ56Fe值符合低壓角閃石分異過程中鐵同位素分餾的演化趨勢，少數TTG具有較低的δ56Fe特徵，均非高壓下形成
Fe有4個穩定同位素，分別是54Fe(5.84%)？56Fe(91.67%)？57Fe (2.12%)和58Fe (0.28%)。高溫岩漿體系中不同礦物控制Fe同位素分餾的主要因素是價態和配位數。理論預測和實際觀察表明，重的同位素傾向於集中在具有較低配位數和較高電價的礦物相中。由於Fe3+通常具有低於Fe2+的配位數和更強的Fe-O鍵強，因此在平衡條件下，自然界中富 Fe3+的礦物一般都具有比富Fe2+礦物更重的Fe同位素特徵，如：石榴子石相對富集Fe2+，具有較輕的δ56Fe特徵，因此在石榴子石主導的岩漿分異過程中，殘餘岩漿的δ56Fe通常會有升高的趨勢；磁鐵礦相對富集Fe3+，具有較重的δ56Fe特徵，因此在磁鐵礦主導的岩漿分異階段，殘餘岩漿的δ56Fe通常會有降低的趨勢。而角閃石的Fe3+含量和δ56Fe值則介於石榴子石和磁鐵礦之間。
遵循上述思路，中科院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室劉鵬副研究員及其合作者郭敬輝研究員、翟明國研究員、Ross Mitchell研究員等，聯合中國地質大學（武漢）汪在聰教授，對華北克拉通冀東地區的TTG岩系進行了Fe同位素研究。研究團隊曾於2019年在該地區報道了一套由角閃石主導的結晶分異過程形成的TTG片麻岩系列，首次為TTG的低壓分離結晶成因提供了明確證據（Liou and Guo, 2019），但仍然有部分TTG的微量元素特徵指示其形成過程有石榴子石的參與，與野外地質證據相悖。而Fe同位素研究顯示，多數TTG的δ56Fe值偏高，與圍岩閃長岩相近，符合低壓下角閃石分異過程中鐵同位素分餾的演化趨勢。少數TTG的δ56Fe值明顯低于洋中脊玄武岩的平均值，因而也不可能是E-MORB和OIB等玄武岩在高壓下部分熔融的產物。總之，該地區所發育的大多數TTG片麻岩，按照傳統定義均屬於高壓型TTG，但Fe同位素證據表明它們的形成過程均沒有石榴子石等高壓礦物相的參與（圖1），因而，所謂的“高壓型”TTG完全可以在低壓下形成。
此前的研究認為，大致有80%的太古宙TTG片麻岩屬於高壓型和中壓型，這也就意味着80%的TTG形成過程中會存在有大量石榴石殘餘。如這一結論正確，那麼同顯生宙時期以花崗岩為主要岩性組成的大陸地殼相比，太古宙TTG應該具有系統性偏高的δ56Fe值。但統計結果顯示，太古宙TTG和顯生宙岩石的Fe同位素特徵並無二致（圖2），這可能指示太古宙大陸地殼的形成過程與現今一致。但這一對比建立在有限的TTG Fe同位素數據基礎之上，未來仍然需要針對TTG進行更多的Fe同位素研究。
圖2 根據有限數據得到的太古宙TTG的 Fe同位素特徵同顯生宙岩石相比並無太大區別
研究成果發表於國際學術期刊Earth and Planetary Science Letters（劉鵬, 汪在聰, R. N. Mitchell, L. S. Doucet, 李明, 郭敬輝, 翟明國. Fe isotopic evidence that “high pressure” TTGs formed at low pressure[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 592: 117645. DOI: 10.1016/j.epsl.2022.117645）。
美編：傅士旭
校對：萬鵬
