為了滿足人類對(duì)未來(lái)資源的需求，地質(zhì)學(xué)家需要了解遙遠(yuǎn)過(guò)去的火山。本文提出，在格陵蘭島等地對(duì)古代巖漿房的認(rèn)識(shí)，有可能為現(xiàn)代綠色技術(shù)提供稀有金屬的新來(lái)源。

許多稀有金屬——如釹、鈮和鏑——對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)汽車(chē)的生產(chǎn)至關(guān)重要，都是從火山中開(kāi)采出來(lái)的。

火山是自然界將物質(zhì)從地球深處帶到地表的方式。地幔（地球內(nèi)部過(guò)熱的地核和薄薄的外殼之間的部分）內(nèi)的熔融過(guò)程產(chǎn)生巖漿，巖漿上升數(shù)百公里，最終以火山的形式噴發(fā)到地表。

地殼是由半剛性的板塊組成的，這些板塊在被稱為俯沖帶的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)和碰撞形成山脈或下沉?；鹕綆У降厍虮砻娴奈镔|(zhì)量與通過(guò)下沉的構(gòu)造板塊返回地幔的物質(zhì)量相當(dāng)。

這就指向了我們所說(shuō)的“元素循環(huán)”，即物質(zhì)從深處通過(guò)火山到達(dá)地表，然后通過(guò)俯沖再次返回地幔。地球科學(xué)中的一個(gè)大問(wèn)題是這種俯沖物質(zhì)會(huì)發(fā)生什么變化，以及它在地幔中的存在時(shí)間。

火山

我們最近的研究研究了格陵蘭島南部的一組古代火山。大約13億年前，格陵蘭島是一個(gè)火山地貌，有很深的裂谷，很像現(xiàn)代東非。大量的火山噴發(fā)到地表，與尼羅河相似的主要河流系統(tǒng)將這些火山中的礦物帶到大片區(qū)域。

格陵蘭的河流和火山現(xiàn)在已經(jīng)被長(zhǎng)期侵蝕，但河流輸送的沉積物仍然可以找到，而在這些古老火山下面運(yùn)行的火山“管道系統(tǒng)”保存著噴發(fā)的巖漿樣本。

我們想了解元素循環(huán)與格陵蘭這些古老火山中關(guān)鍵金屬濃度的關(guān)系。雖然研究有價(jià)值的元素本身是有用的，但有時(shí)我們可以通過(guò)研究與它們相關(guān)的其他元素來(lái)了解更多關(guān)于地球元素周期的信息。

硫的印記

在我們的研究中，我們使用的元素硫有四種穩(wěn)定形式（稱為同位素）。每一個(gè)都有稍微不同的質(zhì)量。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樽匀贿^(guò)程可以選擇性地將較輕的同位素從較重的同位素中分離出來(lái)。就像在一袋MDL上吃零食，你更喜歡紅色的，而不喜歡棕色的MDL，地質(zhì)作用會(huì)導(dǎo)致不同物質(zhì)中每種元素相對(duì)豐度的變化。

通過(guò)測(cè)量巖石中同位素的數(shù)量，我們可以了解形成巖石的過(guò)程。硫同位素特別有用，因?yàn)榈厍虮砻娴纳锖偷厍蚧瘜W(xué)過(guò)程（在低溫下）在改變硫特征方面非常有效，而巖漿過(guò)程（在高溫下）不會(huì)在輕硫和重硫之間產(chǎn)生太多變化。

因此，巖漿巖中硫特征的變化使我們能夠在地幔源中找到回收地殼物質(zhì)的痕跡。通過(guò)選擇在不同地質(zhì)時(shí)期活動(dòng)的火山，我們重建了地幔成分和硫循環(huán)在地球歷史上的變化。

地質(zhì)學(xué)家早就知道，在過(guò)去45億年中，隨著生命的出現(xiàn)，地球表面發(fā)生了深刻的變化，并且變得越來(lái)越復(fù)雜。生命在硫循環(huán)中不斷增加的印記極大地改變了地球表面沉積物的硫同位素比率，但這種印記以前在地幔巖石中沒(méi)有記錄。

我們的工作首次表明，地幔中硫的特征變化的方式與地球表面硫的變化大致一致。對(duì)地球表面的生物和大氣影響，硫的特征似乎一直被轉(zhuǎn)移到地球內(nèi)部。

這意味著地球表面和地幔緊密相連——一個(gè)對(duì)另一個(gè)的變化做出反應(yīng)——盡管這種循環(huán)的時(shí)間尺度仍然未知。我們的數(shù)據(jù)顯示，曾經(jīng)存在于地球表面的硫通過(guò)板塊活動(dòng)回到地幔，然后——13億年前——發(fā)現(xiàn)自己在格陵蘭火山中回到了地表。這就像地質(zhì)上的似曾相識(shí)。

堿性侵入體硫同位素結(jié)果

一個(gè)周期還是多個(gè)周期？

在地質(zhì)時(shí)期，硫在地殼和地幔之間循環(huán)了多少次？我們目前還不知道這個(gè)問(wèn)題的答案，但我們的研究將地球描繪成一個(gè)全球元素輸送帶，地表硫和地幔緊密相連。

這項(xiàng)研究有很多意義。地質(zhì)學(xué)的一個(gè)主要問(wèn)題是稀有金屬礦床是如何形成的，特別是對(duì)綠色能源革命至關(guān)重要的高科技金屬。硫的故事似乎與我們對(duì)其他同位素的研究一致。例如，世界上最大的元素鉭礦床之一（用于電子產(chǎn)品，也集中在格陵蘭島的一座古火山中）具有同位素印記，這也暗示了地殼循環(huán)。

這可能是因?yàn)檫@些全球循環(huán)多次將元素從地表帶到地幔再帶回來(lái)，每次都有效地集中了這些元素。我們?cè)诹蛑杏涗浀娜蜓h(huán)可能是產(chǎn)生對(duì)現(xiàn)代技術(shù)至關(guān)重要的金屬礦床的重要前兆。通過(guò)了解數(shù)十億年前發(fā)生的板塊構(gòu)造和巖漿過(guò)程，我們可以深入了解如何識(shí)別和了解未來(lái)的礦產(chǎn)資源。

圖解總結(jié)了堿性巖漿來(lái)源的新證據(jù)

摘要

地球表面和地幔硫儲(chǔ)庫(kù)是通過(guò)俯沖作用、地殼再循環(huán)和火山作用連接起來(lái)的。雖然海洋熱點(diǎn)熔巖目前對(duì)深部硫循環(huán)提供了最好的約束，但其有限的年齡范圍(200 Ma)意味著它們不能揭示地球歷史上地殼循環(huán)的時(shí)間變化。此時(shí)，富硫堿性巖漿應(yīng)運(yùn)而生，提供了完美的解決方案，因?yàn)樗鼈兣c循環(huán)的物質(zhì)源區(qū)(即交代巖石圈地幔和地幔柱)有關(guān)，而且，至關(guān)重要的是，在整個(gè)地質(zhì)記錄中都可以找到它們留下的足跡。本文通過(guò)對(duì)格陵蘭中元古代堿性巖省硫同位素分餾的詳細(xì)研究，表明該地區(qū)可以重建一個(gè)受俯沖作用影響的源區(qū)(δ34S of+1 to +5‰)。全球δ34S匯編揭示了堿性巖漿源的長(zhǎng)期變化，支持巖石圈地幔成分的變化和/或Ga時(shí)間尺度的深部地殼循環(huán)。因此，堿性巖漿代表了一個(gè)強(qiáng)大但未被充分利用的寶庫(kù)，用來(lái)限制地殼在地質(zhì)時(shí)期的循環(huán)。

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