板塊構造是地球區別于其他行星的重要標志之一，但在地球早期是否存在板塊構造存在爭議。目前，關于這一問題存在兩個模型——活動蓋殼構造（mobile-lid regime）和滯蓋構造（stagnant-lid regime）?；顒由w殼構造區別于滯蓋構造的顯著特征之一是表殼物質能夠有效的通過某種形式的“俯沖”再循環進入地球深部，進而改造不同深度巖漿源區的地球化學和同位素組成。在滯蓋構造體制下，表殼物質再循環進入地球深部的效率極低。因此，研究地球早期巖石的同位素組成，是探討地球早期表殼物質再循環和構造體制的有效手段。?硅（Si）有三種同位素——28Si、29Si和30Si，與表殼過程相比，深部地質過程較難引起顯著的Si同位素分餾，因而Si同位素是研究表殼物質循環的靈敏示蹤劑。由于缺乏大規模生物硅化過程，太古代海水中Si的濃度顯著高于顯生宙，因此早期硅化洋殼富集重硅同位素。風化作用、低溫水巖相互作用和洋殼硅化過程也會引起O同位素的顯著改變，因此綜合應用Si-O同位素體系可以有效識別相關的表殼物質循環。?然而，探究地球最古老巖石的Si-O同位素組成存在難度。原因之一是這些巖石在后期地質過程中經歷多期變質和混合巖化作用，古老鋯石的輻射損傷會導致鋯石產生嚴重的蛻晶化，原始巖石的地球化學和同位素組成是否重置難以確定。原因之二是巖漿巖Si同位素分餾有限，對微區Si同位素分析精度要求頗高。?為了進一步明確地球早期構造體制，中國科學院地質與地球物理研究所李獻華院士團隊博士后張晴和副研究員趙磊，與中國科技大學等合作，對全球出露的最古老巖石——加拿大西北部40億年的阿卡斯塔TTG巖石進行系統的鋯石U-Pb定年，應用自主研發的超高精度SIMS微區Si同位素分析等技術，獲得了這些巖石的鋯石、石英和全巖的高精度Si-O同位素數據。在系統歸納已發表的相關數據基礎上，研究通過詳細的數據分析篩選，揭示了地球早期巖石樣品Si同位素組成的規律性變化：40億年的TTG巖石的Si同位素組成偏輕，與顯生宙巖漿巖Si同位素組成趨勢相當；顯示重Si同位素組成的TTG從38億年開始出現（圖1）。研究顯示，利用鋯石Si-O同位素的協同演化，可排除40億年TTG的巖漿源區存在再循環的表殼物質（O同位素略高于地幔值而Si同位素為地幔值，圖2）。而之后巖石較高的O同位素組成和偏重的Si同位素組成，則表明其巖漿源區存在大量再循環的表殼物質。地球早期TTG所顯示的這種從40億年到38億年Si-O同位素組成的系統性變化，表明其形成于不同的構造體制。也就是說，40億年TTG的形成環境對應滯蓋構造體制，而38億年后TTG的形成環境則轉變為活動蓋殼構造（圖3）。相關研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）上。研究工作得到國家自然科學基金的支持。論文鏈接圖1. 太古代TTG鋯石、石英和全巖的硅同位素組成隨時間演化。單礦物和全巖的Si同位素組成均顯示類似的40到38億年的規律性變化。圖2. 地球早期鋯石Si-O同位素組成的變化以及引起其變化趨勢的原因。圖3. 在40–25億年前，海水中硅含量飽和，硅化洋殼富含重硅。研究發現最古老的40億年的巖石形成過程中沒有表殼重Si物質的加入，在約38億年以來，表殼的重Si同位素信號才開始出現在花崗質巖中。