本组发现地球核幔边界存在地表碳酸盐的化学“印记”

最近，南京大学地球科学与工程学院陈立辉教授课题组与日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)、德国马普化学所和中科院地质与地球物理研究所的科学家合作，在地幔地球化学领域取得重要进展。这个国际团队采用新兴的镁同位素示踪技术，结合传统的放射成因同位素示踪技术，通过分析南太平洋Pitcairn岛玄武岩的同位素组成，发现起源于核幔边界的地幔柱中存在古老地表碳酸盐的化学“印记”。相关成果Recycled ancient ghost carbonate in the Pitcairn mantle plume发表于国际一流综合性学术期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences ofthe United States of America, PNAS)。文章链接为：http://www.pnas.org/content/early/2018/08/07/1719570115。

地幔的体积占整个地球的82%，是地球的主要组成部分。地幔的对流是我们这个星球发育板块构造并欣欣向荣的根本原因。地幔熔融导致地球分异产生地壳，板块俯冲又把地壳物质带到地球深部并改变深部地幔的物质组成，从而维持地球内部-外部之间长期的物质和能量平衡，并最终影响地球表面的宜居环境。因此，探索“地球内部如何运行？”（《Science》公布的125个科学前沿问题中的第10个问题）成为当前地球科学的首要核心任务。其中，了解地幔的化学组成与演化以及深部地幔与地表的物质循环过程是了解地球内部如何运行的主要内容。人类无法对地球深部进行直接取样，但地幔柱可将核-幔边界（~2900 km）的物质“输送”至浅部地幔并发生熔融形成玄武质岩浆。岩浆于海底喷发在大洋盆地内部生成一系列火山岛（图1，南太平洋的Pitcairn火山岛），这些大洋岛屿上的玄武岩被称为洋岛玄武岩（ocean island basalt, 简称OIB），成为地球科学家了解地球深部的窗口。

图1 位于南太平洋的Pitcairn岛

前人通过放射成因同位素示踪技术（如Sr、Nd、Pb）对全球洋岛玄武岩的研究揭示出地幔在化学上是高度不均一的，并定义了EM1、EM2和HIMU等地幔端元组分（图2a）。尽管目前多认为这些端元组分的形成与地球浅部物质的再循环有关，然而这些组分究竟代表何种再循环物质仍然存在很大争议。其中有关EM1来源的争论最为激烈并长期持续，EM1因此被认为是最“神秘莫测(enigmatic)”的地幔组分。目前主要的观点包括三种：1)EM1代表再循环的古老远洋沉积物2)EM1来源于再循环（拆沉）的古老大陆岩石圈地幔3)EM1代表再循环的古老大陆下地壳。EM1的来源存在激烈争论的重要原因是上述三种再循环物质都可呈现与EM1组分相似的放射成因同位素组成。因此，仅仅运用放射成因同位素组成来约束EM1的来源具有多解性。对稳定同位素而言，轻质量数元素（如锂、镁等）的各同位素之间在地表低温过程极易发生显著分馏，而在地幔的部分熔融和岩浆的分离结晶等高温过程中分馏程度极小。玄武岩中这类稳定同位素的显著异常可明确指示深部地幔存在曾位于地球表层的物质。

图2 Pitcairn洋岛玄武岩的放射成因同位素组成(a)和镁同位素组成(b)

为此，陈立辉教授领导的国际团队决定联合运用放射成因同位素和新兴的镁稳定同位素来约束EM1组分的来源。课题组选择来自南太平洋Pitcairn岛（定义EM1的经典代表性洋岛，由起源于核-幔边界的地幔柱在约0.95~0.45百万年前部分熔融产生，图1）的OIB样品进行了高精度镁同位素分析和Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素以及常规的主量、微量元素分析。研究发现Pitcairn洋岛经典的EM1型OIB样品的镁同位素组成比正常地幔明显偏轻，且是迄今为止在新鲜大洋玄武岩中发现的镁同位素组成最轻的样品（图2b）。通过镁同位素与其他同位素之间的相关性识别出轻的镁同位素组成是玄武岩源区中EM1组分的固有特征。EM1组分比正常地幔偏轻的镁同位素组成，结合其极低的²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb比值和硫同位素非质量分馏特征，明确指示EM1来源于再循环的古老（约25~26亿年）含碳酸盐沉积物，而不支持前人提出的“EM1组分代表拆沉的古老岩石圈地幔或再循环古老下地壳”这两种观点。这一研究结果解决了“神秘莫测”的EM1组分的成因争议，证实曾经位于地球表层的沉积物可俯冲进入地球深部（核幔边界）长期保存，并最终被地幔柱携带至浅部地幔熔融贡献玄武岩浆的组成，实现地球深部与地球表层之间的物质循环（图3）。

图3 地球深部与地球表层之间的物质循环

王小均博士（2018届博士毕业生，现为我校特任助理研究员）为论文第一作者，陈立辉教授为论文通讯作者，德国马普化学所的Albrecht W. Hofmann教授为共同通讯作者。王小均、钟源和施金华三位博士生在中科院地质与地球物理研究所谢烈文博士指导下完成Mg同位素分析。日本海洋研究开发机构羽生毅（Takeshi Hanyu）博士领导的日方地球化学团队完成Sr、Nd、Pb、Hf同位素分析以及主量元素和微量元素分析。王小均博士、陈立辉教授、Hofmann教授和羽生毅博士共同完成论文写作。该工作得到了国家自然科学基金、高等学校学科创新引智计划以及南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划A项目的资助。