Nature:金伯利巖Hf-Nd同位素揭示地球長期存在未去氣的原生地幔儲庫

2020-12-05 中科院地質地球所

【前沿報導】Nature：金伯利巖Hf-Nd同位素揭示地球長期存在未去氣的原生地幔儲庫

地球是具有圈層結構的星球，其中地幔是體積和質量最大的圈層，其物理狀態與化學組成對於理解地球的形成與演化過程至關重要。地球發生圈層分異以後，尤其是自板塊構造體制啟動以來，地幔的化學組成受到各種過程的影響而發生改變，如熔體的抽取可以導致地幔發生虧損，而俯衝的地殼物質則可以導致地幔在元素和同位素上的重新富集。

對於地幔化學組成的制約主要來源於對大洋中脊玄武巖（MORB）和洋島玄武巖（OIB）的研究（Hofmann, 1997）。大洋中脊玄武巖通過軟流圈減壓熔融形成，大量的研究表明其具有相對均一的元素與同位素組成，進而表明其來源的幔源區即軟流圈具有相對均一的成分。

傳統觀點認為這是由於地幔對流作用可以有效讓地幔發生混合，從而消除各種不均一的組分。洋島玄武巖的形成通常認為與地幔柱活動有關，其成分相對于洋中脊玄武巖而言具有更大的變化範圍，通常認為是由於下地幔存在各種不均一的地幔儲庫，如高μ地幔（HIMU）、富集I型地幔（EM-I）和富集II型地幔（EM-II）等。

前人的研究也表明MORB和OIB之間存在顯著He同位素差異，MORB具有相對均一的3He/4He組成，而部分OIB則具有顯著高的3He/4He比值。由於3He是地球形成時殘留下來的，而4He則可以通過放射性的衰變形成，因此具有高3He/4He值的OIB被認為是來自於在地球形成後未經歷去氣作用的原生地幔（primordial mantle）。

由於現今OIB都相對年輕（一般不老於60Ma），這種未經歷去氣作用的原生地幔是否在地質歷史時期上長期存在尚不清楚。

澳大利亞墨爾本大學Jon Woodhead 教授及其合作者利用金伯利巖對該問題進行了研究。金伯利巖是目前已知的地球上來源深度最深的巖漿（最大深度可達800公裡），它貧矽、富含揮發份（H2O、CO2等），被認為是富集地幔非常低程度部分熔融的產物。金伯利巖也是金剛石的重要賦存巖石，從而也具有非常重要的經濟價值。年代學資料顯示地球自20億年以來就有金伯利巖噴發記錄，使得它能夠成為研究地球深部地幔形成與演化的重要載體。

Jon Woodhead教授等對全球範圍內不同年齡的金伯利巖進行了系統的Nd-Hf同位素研究，結果表明老於200Ma的金伯利巖的Nd-Hf同位素都落在同一條線性演化線上（圖1），他們將這種金伯利巖稱為原始金伯利巖（primitive kimberlite）。他們認為原始金伯利巖Nd-Hf同位素沿線性演化線分布的原因是它們來源於均一的地幔源區，其成分與球粒隕石均一庫（CHUR）類似，並通過相關的模擬排除了其均一的地幔源區通過不同組分混合而成的可能性（圖2）。考慮到部分原始金伯利巖具有非常高的3He/4He值，他們因此提出原始金伯利巖是來源於未去氣的原生地幔，從而原生地幔自20億年來就長期「孤立地」存在於地球的深部，且未遭受俯衝物質大規模混染作用的影響。

圖1 全球金伯利巖的Nd (a)、Hf (b)同位素演化圖解。200Ma之前噴發的所有金伯利巖都來源於獨立的相對均一的源區。從200Ma開始，一部分金伯利巖（灰色方塊）開始偏離這條趨勢線，表現出不同的同位素特徵。藍色、灰色和紅色線分別代表虧損地幔（DMM），球粒隕石（CHUR）和利用原始金伯利巖模擬出的演化線（Woodhead et al., 2019）

圖2 原始金伯利巖（彩色圓點）與異常金利巖（灰色方塊）的初始Nd-Hf同位素。（a）原始金伯利巖基本上與MORB都沿地球陣列（terrestrial array）趨勢分布，而異常金伯利巖則偏離該趨勢。（b）模擬結果表明原始金伯利巖的Hf-Nd同位素與CHUR類似的均一源區隨時間放射性衰變趨勢吻合，但與俯衝陸源沉積物（terrigenous sediment）以及遠洋沉積物（pelagic sediment）的加入趨勢存在顯著差異（Woodhead et al., 2019）

此外，研究結果還表明來自於南非、巴西、加拿大西部等地區小於200 Ma的部分金伯利巖出現相對富集的Nd-Hf同位素組成，並明顯偏離由原始金伯利巖定義的線性演化線（圖1）。這些具有富集Nd-Hf同位素組成的金伯利巖被稱為「異常金伯利巖（anomalous kimberlite）」。通過模擬計算，作者認為這些異常金伯利巖的富集Nd-Hf同位素特徵可以通過在其源區加入小於10%的5-10億年陸殼沉積物來解釋。考慮到巴西、南非和加拿大西部在200Ma時均位於Pangea超級大陸西部邊緣的俯衝帶上（圖3），作者從而提出這些異常金伯利巖的源區遭受了俯衝物質的混染與改造。

圖3 200Ma時期的Pangea大陸。其中白色圓圈代表原始金伯利巖的位置，金色圓圈代表異常金伯利巖的位置，紅色線代表潘吉亞大陸西部邊緣的俯衝帶（Woodhead et al., 2019） 　

Woodhead 等人的研究結果表明未去氣（即高3He/4He比）的原生地幔至少從20億年以來就長期「孤立」地存在於地球的深部地幔中，而且未遭受俯衝物質的大規模改造，直到200Ma以後，沿Pangea超大陸俯衝作用才使得該原生地幔加入了俯衝的陸殼物質。這一結果對於地幔的化學組成及其形成演化具有非常重要的意義，但存在以下幾個方面的問題有待深入研究：

（1）儘管作者認為金伯利巖漿主要來自於上、下地幔的邊界乃至更深（～800 km）的地幔，但已有的證據也表明許多金伯利巖可能起源更淺部的軟流圈與巖石圈的邊界（Tappe et al., 2013）。如此而言，這是否意味著未去氣的原生地幔可以在地幔對流過程中保存下來？這一問題的回答對於區分MORB和OIB具有直接的意義。

（2）本研究所利用的金伯利巖Hf-Nd同位素來自於全巖分析數據，但考慮金伯利巖漿從深部上升到地表的過程中通常會攜帶大量的地幔和地殼包體。縱然細心處理樣品可以很大程度地減小後期混染作用的影響，但全巖的Nd-Hf同位素能否代表金伯利巖漿源區的特徵仍有疑義。在這方面，對金伯利巖中的鈣鈦礦開展Hf-Nd同位素分析可以有效地減小後期混染作用的影響（Sun et al., 2014），因此值得期待。

參考文獻

1.Hofmann A W. Mantle geochemistry: the message from oceanic volcanism[J]. Nature, 1997, 385(6613): 219-229.

2.Sun J, Liu C Z, Tappe S, et al. Repeated kimberlite magmatism beneath Yakutia and its relationship to Siberian flood volcanism: Insights from in situ U-Pb and Sr-Nd perovskite isotope analysis[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2014, 404: 283-295.

3.Tappe S, Pearson D G, Kjarsgaard B A, et al. Mantle transition zone input to kimberlite magmatism near a subduction zone: Origin of anomalous Nd–Hf isotope systematics at Lac de Gras, Canada[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2013, 371-372: 235-251.

4.Woodhead J, Hergt J, Giuliani A, et al. Kimberlites reveal 2.5-billion-year evolution of a deep, isolated mantle reservoir[J]. Nature, 2019, 573(7775): 578-581.

（撰稿：劉傳周，孫晶/巖石圈室）

美編：徐海潮

校對：張騰飛

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