開天闢地 (二)：從地球化學大數據看太古地殼的「崛起」

岩石地球化學研究在近一世紀的積累之下，已發展出了「大數據」。德國馬克斯普朗克研究中心出馬彙整已發表的岩、礦、包裹體的主量與微量元素濃度、放射性與穩定性同位素比值等地球化學數據，並整併了年代資料、地理與地體構造資訊，建立了 GEOROC (GEOchemistry of Rocks of the Oceans and Continents) 公共資料庫。這些地化資料的運用，當然不再侷限於區域地質的解讀；與年代數據的結合，成就了在全球空間尺度與地球歷史時間尺度上探討殼函演化的可能性，2015 年七月 Dhuime 等人於 Nature Geoscience所發表的文章便是其中一個很好的範例。

Dhuime et al. (2015) 通篇文章主要著眼於新生 (大陸) 地殼「銣-鍶比值 (Rb/Sr)」的演化。根據 GEOROC 中 96,465 筆火成岩數據的統計結果顯示，全岩的二氧化矽含量越高、越偏酸性，則 Rb/Sr 越高，此外，安第斯山作為今日的大陸地殼新生區，中部、南部火山弧的 7,916 筆岩漿岩資料指出，在深度 20 ~ 60 公里區間中，平均地殼組成的 Rb/Sr 與地殼厚度呈正比；換言之，岩漿岩的 Rb/Sr 可用以指示岩性，亦可反映上覆地殼的厚度。而在岩漿演化的歷程中，相較於 Rb/Sr，岩漿組成的釤-釹比值 (Sm/Nd) 較不易受岩漿結晶分異以及後期的重熔作用所改變，因此相應地，釹同位素模式年齡較能代表地殼新生的年代；至於該新生大陸地殼的 Rb/Sr，既然知曉了 (1) 其地殼新生年代以及 (2) 重熔岩漿，即火成岩的結晶年代與初始鍶同位素值，就可以推算得知。

統計了 13,125 筆火成岩資料，結果確認了新生 (大陸) 地殼的組成在約 30 億年前有重要轉折。地球歷史早期，新生地殼的 Rb/Sr 較低，多在 0.03 上下，主要是形成基性岩石，且若能類比於安地斯火山弧，地殼厚度約為 20 公里；顯然，在此一大段期間，地殼物質循環返回地函的效率很高，地函組成尚未出現明顯的虧損。自約 30 億年前、太古宙中期起，新生 (大陸) 地殼的 Rb/Sr 開始顯著增高，岩漿組成轉趨中性，且上覆地殼厚度亦逐漸增加，而隱沒作用、板塊運動在約 30 億年前的啟動應是造成此一系列變化的主因。

30 億年前板塊運動的開始不僅標示了地殼厚度的增長，連帶也意喻地殼表面將逐漸曝露於大氣之中，估計大約 25 億年前便足可有大面積陸地出露，影響所及自是地表的風化侵蝕作用以及氣候相應變遷，這便能解釋晚太古宙時海水鍶同位素的驟增，以及 (因沉積物的增加與隱沒再循環使) 岩漿組成開始出現較高的氧同位素值等現象。大陸地殼的厚度，根據新生大陸地殼的 Rb/Sr，興許在約 10 億年前 Rodinia 超大陸成形之際達最高至約 40 公里厚，之後則開始下降，若地殼厚度能作為地殼總體積的指標，那麼自晚原生宙以來，地殼削減的速率應已超出地殼增長的速率。

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