地理科普

穿越上古!中国科大团队揭示地球地幔演化谜团

中国科学技术大学地球和空间科学学院邓正宾特任教授与多位国际学者合作,成功实现了钛稳定同位素组成的超高精度测量方法,应用刻画了地球形成早期到现代的地幔来源火成岩的钛同位素记录,揭示了地球地幔的运转模式是呈阶段性演变的,现代板块构造体制下接近全地幔对流的模式只是地球演化近期的过渡状态。相关研究成果以“Earth’s evolving geodynamic regime recorded by titanium isotopes”为题于北京时间7月26日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

地球自外向内主要分为地壳、地幔和地核;其中地幔在660公里处存在地震波速的不连续界面,将地幔分为上地幔和下地幔两个圈层。在地球地质历史中,上、下地幔的物质交换会影响元素在地壳和地幔中的分配,对于理解类地行星的动力学和热演化十分重要。

地球化学研究中发现现代深部地幔保留了地球形成早期的稀有气体或短半衰期放射性核素的同位素记录,意味着下地幔存在原始物质的储库;但地震层析成像研究发现俯冲板片可进入下地幔;意味着现今上、下地幔存在大量物质交换,现有交换速率下地球早期形成的储库应难以在漫长地质历史中得到保留,与地球化学观察所得结论相对立。

在地壳熔融过程中,钛稳定同位素体系存在显著分馏,是用来示踪地壳-地幔的物质交换的良好工具;钛作为一个难熔元素在变质和水岩作用过程中不易发生迁移,通过钛稳定同位素研究可以得到地球形成以来相对完整的地壳-地幔物质交换记录,为长期争论的地幔内部物质交换问题带来新的约束。

针对这一问题,邓正宾同丹麦哥本哈根大学以及多个国际研究机构的合作者,采用最新一代多接收等离子体质谱仪开发超高精度钛稳定同位素分析方法,改进和优化样品处理流程和数据处理方法,将已有钛稳定同位素分析方法的分析精度提高了3-4倍,以用来限定自然样品中微小的分馏信号。

利用新的分析方法,邓正宾等人首先对24件球粒陨石样品的钛同位素进行了标定,确定全硅酸盐地球的钛稳定同位素组成和现在的上地幔存在显著差别。在此基础上,对比研究了全球从太古代到元古代(38亿年-20亿年以前)的地幔来源火成岩以及现代洋岛玄武岩样品。结果发现早太古代(38亿年-35亿年)的样品和球粒陨石的钛稳定同位素组成一致;在35亿年到27亿年之间地球地幔来源火成岩样品的同位素组成随着时间逐渐变轻,直到与现代普通型大洋中脊玄武岩接近;而现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成与大洋中脊玄武岩存在差别,更接近全硅酸盐地球的组成特征(图1)。

结合已有地壳生长模型,可推测目前地幔中的钛稳定同位素组成的变化很可能反映:地球太古代(38亿年至27亿年前)上、下地幔的物质交流处于受限的状态(见图2,f=0.2);而该格局在现代已被打破,体现在现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成存在较大范围。对比其锶同位素组成,现代洋岛玄武岩的钛稳定同位素组成变化无法单纯由沉积物或地壳物质的再循环导致,应代表了部分原始地幔物质的参与(图3);该结果反映了现代地球内部原始地幔储库仍存在,但在逐步被瓦解。

图3: 现代洋岛玄武岩和大洋中脊玄武岩的钛稳定同位素和锶同位素组成。可见其钛稳定同位素组成的变化无法单纯由沉积物或地壳物质的再循环导致。

该工作基于同位素分析技术方法的突破,综合研究了地球地幔来源火成岩在地质历史中同位素记录随着时间的变化,发现地球地幔的运转模式不是一成不变的;即现代深俯冲板片可以进入下地幔以及接近全地幔对流的格局只是地球演化近期的过渡状态,不完全代表地球早期的动力学特征。该工作弥合了地球化学和地球物理对地球内部过程约束的矛盾;在此基础上,急需对地球地质历史中地幔物质交换模式及其演化具体控制机制的开展更多研究,才能更好认识类地行星的地质和宜居性演化。

论文第一和通讯作者为中国科学技术大学邓正宾特任教授,合作者来自中国科学技术大学、丹麦哥本哈根大学、美国加州大学圣巴巴拉分校、英国卡迪夫大学、瑞士苏黎世联邦理工和法国巴黎地球物理学院。