中國科大揭示地球地幔運轉模式的演變

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記者7月26日從中國科大獲悉，中國科學技術大學地球和空間科學學院鄧正賓特任教授與多位國際學者合作，成功實現了鈦穩定同位素組成的超高精度測量方法，應用刻畫了地球形成早期到現代的地幔來源火成巖的鈦同位素記錄，揭示了地球地幔的運轉模式是呈階段性演變的，現代板塊構造體制下接近全地幔對流的模式只是地球演化近期的過渡狀態。相關研究成果以“Earth’s　evolving　geodynamic　regime　recorded　by　titanium　isotopes”為題于北京時間7月26日在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

地球自外向內主要分為地殼、地幔和地核;其中地幔在660公里處存在地震波速的不連續界面，將地幔分為上地幔和下地幔兩個圈層。在地球地質歷史中，上、下地幔的物質交換會影響元素在地殼和地幔中的分配，對于理解類地行星的動力學和熱演化十分重要。

地球化學研究中發現現代深部地幔保留了地球形成早期的稀有氣體或短半衰期放射性核素的同位素記錄，意味著下地幔存在原始物質的儲庫;但地震層析成像研究發現俯沖板片可進入下地幔;意味著現今上、下地幔存在大量物質交換，現有交換速率下地球早期形成的儲庫應難以在漫長地質歷史中得到保留，與地球化學觀察所得結論相對立。在地殼熔融過程中，鈦穩定同位素體系存在顯著分餾，是用來示蹤地殼-地幔的物質交換的良好工具;鈦作為一個難熔元素在變質和水巖作用過程中不易發生遷移，通過鈦穩定同位素研究可以得到地球形成以來相對完整的地殼-地幔物質交換記錄，為長期爭論的地幔內部物質交換問題帶來新的約束。

針對這一問題，鄧正賓同丹麥哥本哈根大學以及多個國際研究機構的合作者，采用最新一代多接收等離子體質譜儀開發超高精度鈦穩定同位素分析方法，改進和優化樣品處理流程和數據處理方法，將已有鈦穩定同位素分析方法的分析精度提高了3-4倍，以用來限定自然樣品中微小的分餾信號。

利用新的分析方法，鄧正賓等人首先對24件球粒隕石樣品的鈦同位素進行了標定，確定全硅酸鹽地球的鈦穩定同位素組成和現在的上地幔存在顯著差別。在此基礎上，對比研究了全球從太古代到元古代(38億年-20億年以前)的地幔來源火成巖以及現代洋島玄武巖樣品。結果發現早太古代(38億年-35億年)的樣品和球粒隕石的鈦穩定同位素組成一致;在35億年到27億年之間地球地幔來源火成巖樣品的同位素組成隨著時間逐漸變輕，直到與現代普通型大洋中脊玄武巖接近;而現代洋島玄武巖的鈦穩定同位素組成與大洋中脊玄武巖存在差別，更接近全硅酸鹽地球的組成特征。

結合已有大陸地殼生長模型，可推測目前地幔中的鈦穩定同位素組成的變化很可能反映：地球太古代(38億年至27億年前)上、下地幔的物質交流處于受限的狀態;而該格局在現代已被打破，體現在現代洋島玄武巖的鈦穩定同位素組成存在較大范圍。對比其鍶同位素組成，現代洋島玄武巖的鈦穩定同位素組成變化無法單純由沉積物或大陸地殼物質的再循環導致，應代表了部分原始地幔物質的參與;該結果反映了現代地球內部原始地幔儲庫仍存在，但在逐步被瓦解。

該工作基于同位素分析技術方法的突破，綜合研究了地球地幔來源火成巖在地質歷史中同位素記錄隨著時間的變化，發現地球地幔的運轉模式不是一成不變的;即現代深俯沖板片可以進入下地幔以及接近全地幔對流的格局只是地球演化近期的過渡狀態，不完全代表地球早期的動力學特征。該工作彌合了地球化學和地球物理對地球內部過程約束的矛盾;在此基礎上，急需對地球地質歷史中地幔物質交換模式及其演化具體控制機制的開展更多研究，才能更好認識類地行星的地質和宜居性演化。

論文第一和通訊作者為中國科學技術大學鄧正賓特任教授，合作者來自中國科學技術大學、丹麥哥本哈根大學、美國加州大學圣巴巴拉分校、英國卡迪夫大學、瑞士蘇黎世聯邦理工和法國巴黎地球物理學院。

責任編輯：陸迪

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