地球区别于太阳系其他星球的重要特征之一，是它具有一个经化学分异形成的坚硬的外壳——地壳[1]。地壳由两部分组成：大陆地壳(陆壳)和大洋地壳(洋壳)。陆壳约占地壳总表面积的40%(包括大陆架)，是人类直接居住的部分，为人类提供了丰富的生物、矿产资源和广大的活动空间。因此，详细了解大陆地壳的形成机制和演化过程，不仅对于了解地球的演化具有非常重要的意义，而且与人类日常生活密切相关。经过长期以来地球科学工作者的努力，人类已经认识到陆壳的平均厚度大约为40km。总体陆壳的平均成分是中性火成岩(安山岩)，以富集Cs、Rb、Ba、Th等大离子亲石元素和亏损Nb、Ta、Ti 等高场强元素(High-Field-Strength Element)为特征。总体陆壳元素丰度与亏损的上地幔存在互补的关系[2, 3]；同时，陆壳的生长和消亡从太古代以来一直到现在都在进行，而且其中存在几个快速的增生时期[4] (图1)。但是，对于陆壳的具体形成机制、演化过程以及它如何从地幔来源物质获得总体为安山质的化学组成，目前依然缺乏明确和统一的认识。大多数地质学家相信，形成陆壳的最重要化学格架和特征的物质来源是地球早期俯冲板块部分熔融产生的岩浆[1, 5, 6]，这些岩浆有可能伴随有稍后的成分改造[7]；同时，与俯冲过程相关的岛弧岩浆作用是大陆地壳生长的主要方式[8]。但是，也存在有不同的观点。Kamber 等[9]认为太古代陆壳(以太古代TTG 岩套为代表)的形成机制类似于现代岛弧而与板块俯冲无关; Smithies 等[10] 认为，相对于俯冲带而言，加厚洋壳底部产生的熔体对大陆的形成和增生具有更重要的作用。而所有这些有关陆壳形成机制的不同模型的建立，都是基于对同一观察数据，即对大陆地壳具有亏损的Nb、Ta 元素以及明显低于地球上其他储库的Nb/Ta 值这一特征的形成机制的不同解释。由此，Nb-Ta 的地球化学研究成为解释陆壳形成和演化的关键。
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Nb 和Ta 在化学元素周期表中属于同一副族相邻周期的元素。它们的离子具有相同的电价(+5)和几乎相同的有效半径(~0.64Å)。因此，按照地球化学的基本理论，它们是典型的孪生元素，在绝大多数与岩浆有关的地质过程中是不会发生分异的。换句话说，不同地质体中Nb 和Ta 的浓度可能出现变化，但它们的Nb/Ta 值不应该有大的变化。但是，到目前为止的大量分析数据显示，地球上不同的一级地质单元中存在明显的Nb/Ta 值差异。大陆上部地壳Nb/Ta 的平均值为12~13，下部陆壳为9 左右，总体陆壳平均值为11[3]，而亏损上地幔的平均值为15.5[1]。这些数据表明：①在大陆地壳形成这一与地幔密切相关的过程中，发生了非常显著的Nb-Ta分异；②陆壳与亏损地幔的Nb/Ta 值不能互补，两者皆明显低于原始地幔(17.5)或球粒陨石(17.3~17.6)的Nb/Ta 值[11]，因此存在明显的壳/幔不耦合，从质量平衡的观点来看，应该存在另外一个具有相对较高的Nb/Ta 值(>17.5) 的储库来平衡陆壳和亏损地幔较低的Nb/Ta 值。但是到目前为止科技界对这种高Nb/Ta 值储库尚无统一认识，因此，Nb-Ta 的壳/幔不耦合以及高Nb/Ta 值地质储库的缺失，成为了目前地球化学研究中的未解之谜(图2)。
基于俯冲带与陆壳成因的重要关系，近年来很多的研究致力于俯冲过程中Nb 、Ta 的地球化学行为和其对陆壳低Nb/Ta 值形成的指示意义的调查。牛耀龄等[12]在研究东太平洋海山(seamounts)玄武岩的痕量元素组成时发现，Nb、Ta 以及一些其他相关的高场强元素之间存在非常明显的分异，而导致这种分异的机制主要是洋壳的俯冲。同时，他们提出，大陆地壳亏损的Nb-Ta 可能储存在地幔玄武岩中。这一发现直接促成了对俯冲过程中Nb-Ta 可能的分异以及它对大陆地壳形成机制指示意义的研究成为21 世纪以来地球化学的热点领域之一。从2000 年开始，多项发表在Nature、Science 等世界顶级学术刊物和GCA 等地球化学一级专业杂志的研究成果均对此难题进行了探讨。Rudnick 等[1]调查了俯冲过程中形成的含金红石的难熔榴辉岩，发现其Nb/Ta 值变化很大，且平均值高于原始地幔。因此，她们认为，俯冲过程中含金红石榴辉岩在部分熔融过程中导致的Nb-Ta 分异可产生相当于大陆地壳的低Nb/Ta 值，而难熔榴辉岩部分进入下地幔成为一个具高Nb/Ta 值的储库。但是随后的有关实验表明，由于金红石富集Ta 超过Nb，在金红石存在的情况下，榴辉岩的部分熔融会导致熔体具有较高的而不是陆壳那样低的Nb/Ta 值，因此，俯冲板块在含金红石时所产生的熔体不可能具有大陆地壳的低Nb/Ta 值[5,13]。依据角闪石和熔体间的Nb-Ta 分配系数(指在某一体系达到平衡时，元素在两相中的浓度比值)，Foley 等[5]认为最早期的大陆地壳是由俯冲带的角闪岩融化而形成的，而金红石榴辉岩对大陆地壳的形成没有重要贡献。但是，Rapp 等[6] 指出，Foley 等[5] 的模型无法解释早期大陆地壳(TTG 岩套)中的主量元素和Nb、Ta 之外的其他一些痕量元素的特征，而这些元素特征是在研究陆壳形成机制时必须要考虑的。他们的试验数据表明，具有初始低Nb/Ta 值的含水玄武岩在榴辉岩相变质进程中由于部分熔融而产生的花岗岩熔体具有与早期大陆地壳相似的低Nb/Ta 值及其他常量和微量成分，因此低Nb/Ta 值的含水玄武岩可能是地球早期TTG 岩套的主要来源。不过，大量研究表明这种具有初始低Nb/Ta 值的含水玄武岩的数量非常稀少，其数量远不足以形成大陆地壳；而且这种岩石普遍严重亏损不相容元素[11,12]。此后，Xiao 等[14]在研究大别—苏鲁超高压变质榴辉岩时，发现其金红石的边-核-边剖面出现Nb/Ta 值环带，表明在板块俯冲过程中Nb-Ta 发生了明显的分异，并与某一阶段出现低Nb/Ta 值的流体有关。据此他们指出在板块俯冲过程中，板块内冷外热，热的部位在金红石出现之前形成具有低Nb/Ta 值的流体，流向冷的部位形成具有低Nb/Ta 值区域，而这些冷的部位脱水-熔融产生具有低Nb/Ta 值的熔体，这可能是早期大陆地壳低Nb/Ta 值形成的重要机制。但是Aulbach 等(2008)的研究发现，榴辉岩的高、低Nb/Ta 值成因可能与岩石圈地幔流体的交代作用有关，而与俯冲过程无关。近期Niu and O′Hara (2009)的研究表明，亏损地幔中有比以前假设含有更多的Eu、Sr、Nb、Ta、Ti 等元素，因此可以与陆壳亏损的这些元素互补。同时，他们提出，具有原岩为大洋中脊(MORB)玄武岩的角闪石在大陆碰撞带部分熔融产生的安山岩质熔体可能是大陆增长的主要来源。
综上所述，人们对Nb、Ta 的地球化学行为及对陆壳形成机制的指示意义以及可能存在的高Nb/Ta 值储库之所在，尚无统一的认识。到目前为止已提出的所有模型尚无法完全令人满意地解释陆壳形成过程中Nb-Ta 的具体分异机制以及陆壳和亏损地幔低Nb/Ta 值的成因。有关的Nb-Ta Paradox 进一步的研究还有赖于人们对俯冲过程中元素的分异机制和地球深部过程认识的提高。
综上所述，人们对Nb、Ta 的地球化学行为及对陆壳形成机制的指示意义以及可能存在的高Nb/Ta 值储库之所在，尚无统一的认识。到目前为止已提出的所有模型尚无法完全令人满意地解释陆壳形成过程中Nb-Ta 的具体分异机制以及陆壳和亏损地幔低Nb/Ta 值的成因。有关的Nb-Ta Paradox 进一步的研究还有赖于人们对俯冲过程中元素的分异机制和地球深部过程认识的提高。
参考文献
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