太古宙克拉通核部主要由英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩（TTG）系列的低钾长英质侵入岩系构成，这些岩石代表了早期大陆地壳的主要组分。 因此，阐明太古宙TTG岩石的成因是研究大陆地壳起源的重要课题之一。TTG被普遍认为是水化玄武岩经历约20-30%部分熔融形成的，其最显著的特点是具有明显的微量元素组成多样性，可表现为差异性的Sr/Y比值和Nb/Ta比值。前人研究认为，部分熔融时压力的差异是导致上述TTG岩石成分多样性的主要原因，并将TTG岩石分为高压型、中压型和低压型三种类型。据此，学者提出了多种早期地球动力学模型，如俯冲模型，或地幔柱引发大洋高原模型。然而，除了压力，源岩成分以及水含量也被认为是控制TTG熔体成分的关键因素。值得注意的是，当前研究结果的验证通常依赖于与TTG全岩主微量成分的对比，而其他关键的岩浆物理化学性质，如岩浆水含量，常被忽视。由于缺乏对熔融过程中其他控制因素的综合分析，加之缺少可靠的岩石成因检验手段，使得学界对TTG的形成条件争议颇大，进而也对早期地球动力学背景的认识存在巨大分歧。

针对上述问题，开云电竞下载官网（北京）地球科学与资源学院博士研究生王海若在导师蔡克大教授的指导下，联合香港大学孙敏教授和李蔚然助理教授，开云电竞下载官网（武汉）陈明副教授，以及长江大学夏小平教授，开展了系统的热力学-地球化学模拟实验，比较了太古宙变质玄武岩熔融过程中压力、体系水含量，以及源岩成分对TTG熔体成分的影响。在此基础上，搜集了全球TTG磷灰石和锆石数据，利用副矿物湿度计（磷灰石和锆石），限定了不同类型TTG熔体的水含量，并以此作为验证对象，限定了不同类型TTG的最优形成条件。研究结果为分析早期地球大陆地壳的成因，以及探究早期地球构造体制提供了新的见解，主要认识如下。

1）太古宙镁铁质源岩发生部分熔融时，压力是产生不同类型太古宙TTG的一级主控因素（图1），而源岩成分与体系内水含量的变化可能导致了单一类型TTG内出现成分上的分散，但是其差异并不会导致TTG类型发生转变（图2）。通过对比TTG全岩主、微量元素组成，限定太古宙TTG的形成条件为~700-900 °C、9-16 kbar、体系内水含量为1-4 wt.%，对应于太古宙镁铁质源岩约15–30%的部分熔融程度。

2）磷灰石湿度计结果显示，高压型TTG具有最高的岩浆水含量（约8.0 wt.%），而低压型TTG的水含量最低（约4.5 wt.%）。锆石湿度计结果也显示出相似的TTG岩浆水含量范围以及相似的不同类型TTG之间的差异性趋势，其中高压TTG的水含量范围为8-11 wt.%，而低压TTG为4-6 wt.%，而中压型TTG的岩浆水含量位于两者之间（图3）。

3）通过将热力学-地球化学模拟结果与来自磷灰石和锆石的矿物学约束条件相结合，本研究限定了每种类型TTG的最佳形成条件。其中，低压型TTG可能形成于9-9.5 kbar、体系水含量为1-1.8 wt.%的水不饱和熔融条件；而高压型TTG的形成则可能需要14-16 kbar、体系水含量为2.5-4.0 wt.%的水致熔融过程；中压型TTG则在介于二者之间的条件下形成（图4）。

4）三种类型TTG最佳形成条件（P-T-X_H2O）的厘定为探究早期地球构造体制提供了依据。低压型TTG形成所需的温-压条件与早期地球板内环境的地温梯度（90-100°C/kbar）最为匹配，并且其形成所需的水不饱和条件也指示该类型的TTG源于太古宙板内环境下镁铁质下地壳的重熔作用。相反，高压型TTG形成所需的温-压条件以及高体系水含量范围表明，早期地球的热俯冲环境（50-60°C/kbar）是其形成的最佳构造背景。并且，通过将全球高压型TTG的时空分布规律与前人利用机器学习分析的俯冲成因弧玄武岩的时空分布相结合，推测全球范围的俯冲作用（即板块构造）的启动时间可能直至30亿年才开始（图5）。

图1、热力学-地球化学模拟形成的熔体成分对比。模拟结果显示，压力是TTG成分多样性的主控因素。压力从8 kbar升至14 kbar会显著增加固体残留物中石榴石的比例，从而导致模拟熔体的成分从低压型TTG区间向高压型TTG区间迁移

图2、8.5 kbar下太古宙玄武岩石在等压熔融过程中热力学-地球化学模拟。体系水含量的变化并不会导致模拟熔体的成分发生显著的变化，无法导致TTG类型之间的变化。a）8.5 kbar下太古宙玄武岩石的P-XH2O相图。b, c）案例A与案例B中，计算的矿物体积模量、熔体比例随温度的变化关系。d, e）8.5 kbar下，不同体系水含量条件下产生的熔体的成分对比

图3、磷灰石与锆石湿度计计算结果。a）磷灰石湿度计计算结果。b）锆石湿度计计算结果

图4、不同类型TTG的最优形成条件范围

图5、全球高压型TTG与机器学习预测的弧玄武岩的时空分布规律，指示早期地球的构造转变可能发生在30亿年前

该研究得到了国家科技重大专项（2024ZD1003401）、国家自然科学基金（41872082，4162205，42173050）和中央高校基本科研基金（2652023001）的支持。上述研究成果发表在Nature旗下期刊Communications Earth & Environment：Wang, H.R., Cai, K.D.*, Sun, M., Li, W.R., Chen, M. & Xia, X.P. (2025). Diverse genesis of early Earth’s continental crust hints the geodynamic transition at about 3.0 Gyrs ago. Communications Earth & Environment.

全文链接：https://www.nature.com/articles/s43247-025-02973-z