同位素 PNAS：金伯利巖揭示早期地球分異的殘留地幔儲(chǔ)存在核幔邊界的LLSVPs
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地幔是地球上體積占比最大的圈層，記錄了地球的形成、分異和演化過(guò)程的重要信息。前人通過(guò)對(duì)大洋玄武巖（包括大洋中脊玄武巖MORB和洋島玄武巖OIB）的研究提出存在不同的地幔儲(chǔ)庫(kù)，包括虧損地幔（DMM），富集I型地幔（EM-I）、富集II型地幔（EM-II）、高238U/204Pb地幔（HIMU）等（Zindler and Hart, 1986; Hofmann, 1997）。在Sr-Nd-Hf同位素相關(guān)圖上，這些不同的地幔儲(chǔ)庫(kù)都匯聚到相同的區(qū)域，該區(qū)域被定義為PREMA（Prevalent Mantle）或FOZO（Focus Zone）地幔。相對(duì)于MORB，OIB的同位素變化范圍非常大，通常認(rèn)為它們來(lái)自于下地幔，其形成與起源與核幔邊界的地幔柱活動(dòng)相關(guān)。前人研究發(fā)現(xiàn)，OIB的He同位素組成具有較大的變化范圍，部分樣品具有特別高的3He/4He比值（Kurz et al., 1982）。由于3He來(lái)自地球形成時(shí)的殘留，而4He為放射性衰變的產(chǎn)物，因此高3He/4He的 OIB被認(rèn)為來(lái)自于地球形成后未經(jīng)歷去氣作用的原始地幔（primordial mantle）。考慮到大部分地幔柱可能起源于核幔邊界的剪切波低速區(qū)（LLSVPs：large low shear-wave velocity provinces），因此未去氣的原生地幔被認(rèn)為儲(chǔ)存在LLSVPs。已有研究表明，高3He/4He值也是地幔儲(chǔ)庫(kù)PREMA（Prevalent Mantle）的主要特征，然而Sr-Nd-Pb同位素卻顯示PREMA地幔虧損不相容元素，表明它也長(zhǎng)期遭受了部分熔融。這就造成部分OIB具有原生的He同位素和虧損Sr-Nd-Hf同位素之間的悖論。目前普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，PREMA代表在地球形成后不久就遭受熔體抽取后的地幔殘留體，之后一直被保存在核幔邊界，未受地幔對(duì)流的影響，因此未經(jīng)歷顯著的去氣作用。
鑒于OIB的形成時(shí)代普遍年輕（<200Ma），它很難用來(lái)驗(yàn)證PREMA地幔是否長(zhǎng)期存在于地球的核幔邊界。金伯利巖是目前已知來(lái)源最深的巖漿產(chǎn)物，可能起源于核幔邊界LLVSPs。它由于富含揮發(fā)份（Giulianiand Pearson, 2019），上升速度非常快，較少經(jīng)歷巖漿房過(guò)程，受陸殼混染的影響較小，從而可以很好地反映其深部地幔源區(qū)的成分。此外，噴發(fā)在大陸上的金伯利巖比OIB更容易保存下來(lái)，目前全球最老的金伯利巖的年齡為20.6億年。部分金伯利巖具有與OIB相似的高3He/4He比值特征，前人統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)金伯利巖的Nd-Hf同位素組成類(lèi)似于球粒隕石，來(lái)源于相對(duì)原始的地幔源區(qū)（Woodhead et al., 2019）。因此，金伯利巖是驗(yàn)證PREMA地幔儲(chǔ)庫(kù)與LLSVPs之間是否存在關(guān)聯(lián)的重要載體。
為了利用金伯利巖揭示PREMA地幔與核幔邊界LLSVPs之間的關(guān)聯(lián)，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的Andrea Giuliani博士等收集匯總了全球金伯利巖和與其具有類(lèi)似成因的超鎂鐵質(zhì)煌斑巖的87Rb-87Sr（半衰期490億年）、147Sm-143Nd（1060億年）、176Lu-176Hf（370億年）放射性同位素?cái)?shù)據(jù)。在排除地殼混染等潛在的影響，作者選擇具有虧損同位素組成的樣品進(jìn)行了詳細(xì)分析。這些樣品具有均一、弱虧損的Sr-Nd-Hf同位素，根據(jù)時(shí)間演化推測(cè)其現(xiàn)今源區(qū)的Sr-Nd-Hf同位素特征與通過(guò)OIB定義的PREMA或者FOZO較為一致（圖1），并且與其就位時(shí)代具有良好的線性關(guān)系（圖2）。考慮到地球演化的歷史中，發(fā)生俯沖物質(zhì)以及俯沖區(qū)域的變質(zhì)壓力和溫度都曾發(fā)生大幅度的變化，其形成的富集地幔無(wú)法與虧損地幔持續(xù)混合形成PREMA組分，因此可以排除PREMA混合成因的可能性，其很可能來(lái)自地球早期分異的殘留。
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具有虧損組成的金伯利巖的Nd-Hf同位素沿線性演化線分布的原因是它們來(lái)源于均一的地幔源區(qū)，根據(jù)線性演化關(guān)系反演得到的地球形成時(shí)的PREMA初始143Nd/144Nd（0.50657±10；1σ）和176Hf/177Hf（0.27983±12；1σ）比值與球粒隕石值在誤差范圍內(nèi)一致。然而，由金伯利巖計(jì)算得到的PREMA的147Sm/144Nd和176Lu/177Hf比值須高于球粒隕石，才能夠隨時(shí)間演化為現(xiàn)今的虧損PREMA端元。因此，金伯利巖并非來(lái)源于球粒隕石質(zhì)原始地幔源區(qū)（如Woodhead et al., 2019的結(jié)論），而是來(lái)自于地球在形成初期經(jīng)歷硅酸鹽熔體的抽取后殘留的虧損地幔端元（Early depleted reservoir; EDR），但該早期虧損事件發(fā)生于146Sm完全衰變完以后，因此金伯利巖和OIB中不存在高142Nd/144Nd的異常。
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