DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07307-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38720084
تاريخ النشر: 2024-05-08
المؤلف: Jesse Reimink وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الجيولوجي والجيوكيميائي
نظرة عامة
يقدم هذا القسم تحليلًا لكميات الذوبان الناتجة عن عمليات الذوبان “الجافة” للصخور القشرية والرسوبية الأركيانية. يشير إلى الشكل البياني الممتد 10، الذي يتوازى مع النتائج الموضحة في الشكل البياني الممتد 9، ولكنه يركز بشكل خاص على علاقات درجة الحرارة-التكوين (T-X) لكل من التراكيب “عالية السيليكون” و”منخفضة السيليكون” المستمدة من التراكيب الكلية “الجافة”. هذا التمييز مهم لفهم سلوكيات الذوبان لأنواع الصخور المختلفة في سياق الأركيان. تسهم النتائج في الفهم الأوسع لتكوين القشرة وتطورها خلال عصر الأركيان.
النتائج
تشير النتائج من النمذجة الحرارية إلى وجود تباينات كبيرة في إنتاج ذوبان الجرانيت بناءً على تركيب الرواسب، وحالة ترطيب القشرة، وسمك الطبقات، وعمق الدفن. توضح الأشكال البيانية الممتدة 9 و10 أن زيادة سمك القشرة النقية من TTG أو القشرة البازلتية تؤدي إلى إنتاج الحد الأدنى من الذوبان (أقل من 4 كم للذوبان الرطب وأقل من 1.5 كم للذوبان الجاف)، والذي يحدث بشكل أساسي على أعماق تتجاوز 30 كم. تم تحديد تراكيب الطين، وخاصة الطين الأركياني، على أنها الأكثر خصوبة، حيث تنتج ذوبانًا كبيرًا بسبب علاقاتها الغنية بالميكا ومنحنيات الذوبان الحادة بالقرب من الحالة الصلبة الرطبة. بالمقابل، تنتج الرواسب المافية أقل ذوبان بسبب منحنيات الذوبان الضحلة وإنتاج الحرارة الإشعاعية المنخفض.
علاوة على ذلك، يعزز دفن الطين في القشرة العميقة إنتاج ذوبان الجرانيت من الصخور المجاورة من TTG والبازلت. على سبيل المثال، تؤدي زيادة سمك TTG الجاف بمقدار 30 كم إلى إنتاج حوالي 0.3 كم من ذوبان الجرانيت من النوع I، بينما يمكن أن ينتج دفن 15 كم من الطين الأركياني حوالي 1 كم من الذوبان. يتم دفع هذا الإنتاج للذوبان بشكل أساسي من خلال توصيل الحرارة الإشعاعية من طبقة الرواسب، وهي آلية لا تنطبق على الرواسب السيليكلستية والمافية، التي تفتقر إلى إنتاج الحرارة الكافي لتحفيز ذوبان TTG المجاورة. تتطور البنية الحرارية من خلال الاسترخاء التوصيلي والتسخين الإشعاعي، مما يؤدي إلى حالات حرارية توازنية مميزة بعد دفن الرواسب.
المناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون معدلات إنتاج الحرارة لصخور القشرة الأركيانية، مع التركيز على الآثار المترتبة على التطور الحراري وعمليات تكوين القارات. يصنفون الصخور الأركيانية إلى مجموعات عالية السيليكون (تشبه TTG) ومنخفضة السيليكون (بازلتية)، كاشفين أن إنتاج الحرارة الإشعاعية خلال العصر الميسوأركياني كان تقريبًا ضعف المعدل الحديث. بحلول العصر النيوأركياني، وُجد أن معدلات إنتاج الحرارة في القشرة التي تهيمن عليها TTG كانت أقل من 2 ميكرووات م$^{-3}$، بينما أظهرت الصخور الرسوبية، وخاصة الطين، معدلات أعلى بكثير (1-6 ميكرووات م$^{-3}$). يشير هذا إلى أن دمج الرواسب الغنية بالعناصر المشعة في القشرة كان أمرًا حيويًا لتحفيز الذوبان الجزئي والتمايز، وهو ما كان ضروريًا لتكوين الصخور الجرانيتية خلال العصر النيوأركياني.
علاوة على ذلك، يقوم المؤلفون بنمذجة التطور الحراري للقشرة السميكة، موضحين أن زيادة سمك قشرة TTG بشكل كبير لا تؤدي إلى ذوبان كبير، حيث تبقى درجات الحرارة القصوى أقل من الحالة الصلبة. بالمقابل، يمكن أن يؤدي إضافة طبقات رسوبية إلى تحفيز ذوبان كبير، حيث تشير الحسابات إلى أن طبقة رسوبية بسمك 10 كم يمكن أن تولد أكثر من 40% من الذوبان الجرانيت بعد 50 مليون سنة. ترتبط هذه العملية بالدفن للرواسب وتدفق الحرارة الناتج، مما يسهل تمايز القشرة القارية. تشير النتائج إلى أن التطور الجيولوجي للقارات الأركيانية كان مدفوعًا بعمليات رسوبية بدلاً من تغيير أساسي في النمط التكتوني، مما يبرز دور التجوية والترسيب في استقرار القشرة القارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07307-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38720084
Publication Date: 2024-05-08
Author(s): Jesse Reimink et al.
Primary Topic: Geological and Geochemical Analysis
Overview
The section presents an analysis of the quantities of melt generated from the ‘dry’ melting processes of Archean crustal and sedimentary lithologies. It references Extended Data Figure 10, which parallels the findings depicted in Extended Data Figure 9, but focuses specifically on the temperature-composition (T-X) relationships for both ‘high-Si’ and ‘low-Si’ compositions derived from ‘dry’ bulk compositions. This distinction is crucial for understanding the melting behaviors of different lithological types in the Archean context. The results contribute to the broader understanding of crustal formation and evolution during the Archean eon.
Results
The results from the thermal modeling indicate significant variations in the production of granitoid melts based on sediment composition, crustal hydration state, layer thickness, and burial depth. Extended Data Figs. 9 and 10 illustrate that thickening of pure-TTG or basaltic crust yields minimal melt (less than 4 km for wet melting and less than 1.5 km for dry melting), primarily occurring at depths exceeding 30 km. Shale compositions, particularly Archaean shales, are identified as the most fertile, producing substantial melt due to their mica-rich phase relations and steep melting curves near the wet solidus. In contrast, mafic sediments generate the least melt due to their shallow melting curves and low radiogenic heat production.
Furthermore, the burial of shales into the deep crust enhances granitoid melt production from adjacent TTG and basaltic rocks. For instance, a 30 km thickening of dry TTG results in approximately 0.3 km of I-type granitoid melt, while the burial of 15 km of Archaean shale can produce around 1 km of melt. This melt generation is primarily driven by the downward conduction of radiogenic heat from the sediment layer, a mechanism that does not apply to siliciclastic and mafic sediments, which lack sufficient heat production to stimulate adjacent TTG melting. The thermal structure evolves through conductive relaxation and radiogenic heating, leading to distinct equilibrium thermal states following sediment burial.
Discussion
In this section, the authors investigate the heat production rates of Archaean crustal rocks, focusing on the implications for thermal evolution and cratonization processes. They categorize Archaean rocks into high-Si (TTG-like) and low-Si (basaltic) groups, revealing that radiogenic heat production during the Mesoarchaean was approximately double the modern rate. By the Neoarchaean, heat production rates in TTG-dominated crust were found to be less than 2 μW m$^{-3}$, while sedimentary rocks, particularly shales, exhibited significantly higher rates (1-6 μW m$^{-3}$). This suggests that the incorporation of HPE-enriched sediments into the crust was crucial for driving partial melting and differentiation, which were necessary for the formation of granitic rocks during the Neoarchaean.
The authors further model the thermal evolution of thickened crust, demonstrating that even substantial thickening of TTG crust does not lead to significant melting, as peak temperatures remain below the solidus. In contrast, the addition of sedimentary layers can induce substantial melting, with calculations indicating that a 10-km-thick sedimentary layer could generate over 40% granitic melt after 50 million years. This melting process is linked to the burial of sediments and the resultant heat flow, which facilitates the differentiation of the continental crust. The findings imply that the geological evolution of Archaean cratons was driven by sedimentary processes rather than a fundamental change in tectonic style, emphasizing the role of weathering and sedimentation in the stabilization of continental crust.