中國科大揭示地球地幔運轉模式的演變

　　中國科學技術大學地球和空間科學學院特任教授鄧正賓與多位國際學者合作，成功實現鈦穩定同位素組成的超高精度測量方法，應用刻畫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。7月26日，相關研究成果在線發表于《自然》。

　　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。但是，地震層析成像研究發現，俯沖板片可進入下地幔，這意味著現今上、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，與地球化學研究所得結論相對立。

　　鈦穩定同位素是用來示蹤地殼-地幔物質交換的良好工具。這主要是因為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，因此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，自主開發超高精度鈦穩定同位素分析技術，改進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至4倍，用來限定自然樣品中微小的分餾信號。

　　利用新分析方法，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，對比研究了全球不同地質年代的地幔來源火成巖，發現以上差別主要形成于35億年到27億年之間，來源更深的現代洋島玄武巖具有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，該變化很可能反映：太古代時期，地球上、下地幔的物質交流處于受限的狀態；該格局在現代已被打破，現代洋島玄武巖的記錄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并非一成不變：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。

　　研究人員介紹，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，亟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，有助于更好認識類地行星的地質和宜居性演化。