2025年4月18日，《自然·地球科学》（Nature Geoscience）发表了一篇题为《挥发分循环的早期启动》（Early start to volatile cycling）的评论文章，由德国柏林自由大学的J. Elis Hoffmann撰写。该文高度评价了法国图卢兹大学Caro教授团队的研究成果，指出他们通过分析加拿大魁北克地区的始太古代变质玄武岩（角闪岩），首次提供了确凿证据，表明地球早在38亿年前就已经存在类似现代板块俯冲的挥发分循环过程。这项研究不仅深化了我们对地球早期动力学机制的理解，也揭示了流体和挥发性物质——特别是硫——在地球演化中扮演的关键角色。
地球早期的挥发分循环：从地表到地幔
地球上的挥发分，如硫、碳和水，在地表与地幔之间的循环是板块构造活动的重要特征。这一过程对于地球内部的化学演化以及生命的起源至关重要。然而，关于这种循环何时开始、以何种方式发生，长期以来一直是地质学界争论的焦点。在约24亿年前地球大气氧化之前，火山喷发释放出的硫化物会在大气下层经历光化学反应，形成一种特殊的硫同位素信号——“质量无关硫同位素分馏”（MIF-S）。这种现象在后太古宙的大气中不再出现，因为臭氧层吸收了短波辐射，阻止了类似的反应发生。因此，MIF-S信号成为识别古老地表物质是否被再循环进入地幔的重要示踪剂。
a。通过类似俯冲的过程，将经过光化学改造的硫从地表循环到地幔。b，早期地球构造的其他情景，例如所谓的“沉降作用”（sagduction）或下地壳物质的“剥落作用”（delamination），作为地壳与地幔之间硫循环的潜在路径。（Caro 等人对始太古代角闪岩的地球化学测定结果）
始太古代岩石中的硫同位素信号：俯冲的早期证据
Caro教授及其团队研究了来自加拿大魁北克Innuksuaq地区的一组始太古代角闪岩样品。这些岩石年龄超过38亿年，保存着原始地幔源区的化学信息。通过对硫、钕-142同位素及微量元素组成的综合分析，他们发现其中含有明显的MIF-S信号，并显示出与古老陆源沉积物一致的成分特征。这意味着这些岩石的地幔源区曾被地表来源的物质所改造。而这种改造最有可能是通过类似于现代板块俯冲的过程实现的——即地壳物质被带入地幔深处，随后部分熔融并重新参与岩浆作用。此外，研究还发现，这些岩石的微量元素比值与现代俯冲带岩石相似，且与钕同位素变化呈协变关系，这更支持了沉积物熔融而非岩浆分异的成因模型。
俯冲还是其他机制？排除替代解释
尽管有学者提出，诸如“沉降作用”（sagduction）或“剥落作用”（delamination）等地质过程也可能导致地表物质大规模再循环，但Caro等人指出，这些机制通常发生在地壳中层深度，会导致挥发分在进入地幔前大量流失，难以解释观察到的硫信号。相反，俯冲机制可以有效地将富含挥发分的地表沉积物带入地幔深部，保留其原始的同位素特征。这也得到了实验岩石学和地球动力学模拟的支持。不过，目前仍不清楚硫在再循环过程中是如何被有效保留的，以及它对地幔氧化状态的影响有多大。这些问题需要进一步结合实验、地球化学和地球动力学建模来深入探讨。
地球早期大气的透明度：间接探测冥古宙气候条件
此次研究的另一重大意义在于，它提供了一个间接探测地球早期大气状态的窗口。由于MIF-S信号只能在低氧、透明的大气条件下形成，因此它的存在说明当时的地球大气尚未被大量氧气占据，具有较高的紫外穿透率。这不仅有助于理解地球大气演化的阶段性变化，也为研究生命起源前的环境条件提供了重要线索。Caro等人的研究首次提供了明确证据，表明地球早在38亿年前就已经开始了类似现代俯冲的地质过程。这标志着地球内部动力系统比以往认为的要早得多地启动，从而开启了挥发分循环的新纪元。流体和挥发性物质在这一过程中起到了至关重要的媒介作用，它们不仅影响了地幔的化学组成，也塑造了地壳结构和大气环境，为生命的诞生和演化奠定了基础。未来，随着更多始太古代岩石的研究以及对次要硫同位素（如³⁶S）的精确测量，我们将能够更全面地重建地球早期的挥发分循环历史，并进一步揭示地球如何从一个炽热的原行星演化为适宜生命存在的星球。（中国矿物岩石地球化学学会气体地球化学专业委员会翻译整理）
参考资料：
Hoffmann, J.E. Early start to volatile cycling. Nat. Geosci. 18, 374–375 (2025). https://doi.org/10.1038/s41561-025-01689-1
Caro, G., Grocolas, T., Bourgeois, P. et al. Early Archaean onset of volatile cycling at subduction zones. Nat. Geosci. 18, 436–442 (2025). https://doi.org/10.1038/s41561-025-01677-5
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