刘纯韬：地球化学大数据制约陆地暴露历史【GPL，2021】

大量地质证据表明，地球早期陆地主体仍被海水覆盖。大陆大规模形成、隆升并出露海平面以上是地质历史时期的重大事件，彻底改变了地表的物质循环模式，对水圈-大气圈和生物圈应产生了巨大影响（例如：可能促进了第一次大氧化事件（GOE））。目前各学术群体对于陆地主体暴露事件发生的时间仍存在很大分歧，不同估计的跨度很大（从晚太古代至新元古代），这阻碍了我们深入理解该事件对地表环境的影响。

针对这一科学问题，团队成员研究生刘纯韬（第一作者）与何永胜教授（通讯作者）使用地球化学大数据统计方法，分析了全球陆壳镁铁质火成岩的K/La均值演化，制约了36亿年以来陆地暴露历史。

在地幔部分熔融和基性岩浆分异过程中，K和La均是强不相容元素。因此，镁铁质岩浆过程中K/La比值基本不会发生显著分异。镁铁质岩浆水下喷发时，会与海水接触发生低温热液蚀变作用（<100-150°C）。因海水富K，该过程会导致蚀变产物K/La比值升高（图1A）。由于K相对于La水溶性更强，在陆表风化淋滤过程中前者更易随流体迁移。相应地，陆上喷发的镁铁质火山岩在经历风化蚀变后，K/La比值会系统性降低（图1B）。因此，理论上全球镁铁质火山岩的K/La均值可以作为示踪水下和陆上喷发比例的指标，从而记录地质历史时期暴露海平面以上陆地的相对面积。

根据这一原理，该研究基于已有现今陆上火成岩数据库，利用蒙特·卡洛加权重采样方法计算了36亿年以来全球陆上镁铁质喷出岩（volcanic rocks）和侵入岩（plutonic rocks）K/La均值的变化（图2）。相对镁铁质喷出岩，镁铁质侵入岩侵位深度较大，一般不易参与地表风化和蚀变过程，其K/La均值自36亿年以来几乎保持不变，定义了全球镁铁质火成岩K/La的岩浆背景值（582 ± 92, 1-standard-deviation; 1-s.d.）。镁铁质喷出岩K/La均值从30亿年之前较高的2125 ± 309（1-s.d.），降低至27亿年584 ± 83（1 standard error of the mean；1-s.e.m.），并在随后的27亿年里基本保持在岩浆背景值附近。30亿年之前镁铁质喷出岩较高的K/La均值要求其普遍经历过与海水的低温热液蚀变作用，反映其主要喷发于水下环境，支持前人太古代地表主体被海洋覆盖的观点（图3a）。30-27亿年之间，喷出岩K/La均值降低反映水下喷发、经历过海水低温热液蚀变的样品比例降低，指示陆地主体在此期间逐渐暴露出海平面。陆地暴露面积可能在27亿年前已达到和现今相当的水平，并在此后保持基本稳定（图3b）。

地质历史时期陆地暴露面积的变化本质上受到地表水总量、增加（主要为构造-岩浆活动，如形成现今的青藏高原和安第斯山脉，图3c）和降低陆壳厚度分异过程（风化剥蚀和岩石圈地幔的热弛豫）的动态控制。在30-27亿年之间，较高的地温梯度与普遍的板片熔融阻碍了地表水深俯冲进入地幔。陆壳在30-27亿年间主体暴露出海平面应与地表水总量的减少无关，而可能与全球板块构造的发育和第一个超大陆（kenorland）的拼合有关。27亿年后，构造-岩浆活动引起的造山隆升与风化剥蚀和岩石圈地幔热弛豫的效应大体持平；镁铁质喷出岩K/La均值出现了三个高值，时间分别与全球岩浆低谷期吻合（4，8 及26亿年；图2），可能记录了与之有关的陆地暴露面积短暂性缩减事件。

该研究有助于我们理解陆地主体暴露出海平面对早期地表环境和生命演化产生的影响。太古代早期广泛发育的海底热液活动，通过释放还原性物质（如H₂和CH₄），为早期生命的形成和演化提供了重要条件；陆地主体于27亿年前暴露出海平面，使得陆上火山作用增强、去气组分更加氧化，为GOE的启动创造了条件。陆地主体暴露与GOE之间存在数亿年的时间间隔，表明前者可能不是GOE启动的直接触发因素。

文章在线发表于国际地球化学顶级刊物Geochemical Perspectives Letters: Liu, Chuntao& He, Yongsheng (2021) Rise of major subaerial landmasses about 3.0 to 2.7billion years ago. Geochemical Perspectives Letters 18: 1-5。本研究受到国家自然科学基金项目（编号：41688103、41730214）、中央高校基本科研业务费专项资金（编号：3-7-5-2019-07）、111引智计划（编号：BP0719021）等的资助。

全文链接：(https://www.geochemicalperspectivesletters.org/article2115/)。

图1 海底低温热液蚀变和陆表风化蚀变作用对玄武岩K/La影响

图2 全球陆壳镁铁质喷出岩和侵入岩K/La均值变化

图3 太古代晚期水上和水下陆地演化示意图