貴陽分部 │ 廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言│內部網│English│中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報 │ 圖書館 │ 黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
【前沿報道】Nature:金伯利岩Hf-Nd同位素揭示地球長期存在未去氣的原生地幔儲庫
2019-12-09 | 旺彩官网: | 【 】【打印】【關閉

  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于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啓動以來,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,而俯沖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。對于地幔化學組成的制約主要來源于對大洋中脊玄武岩(MORB)和洋島玄武岩(OIB)的研究(Hofmann, 1997)。大洋中脊玄武岩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。傳統觀點認爲這是由于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。洋島玄武岩的形成通常認爲與地幔柱活動有關,其成分相對于洋中脊玄武岩而言具有更大的變化範圍,通常認爲是由于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MORBOIB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。由于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被認爲是來自于在地球形成後未經曆去氣作用的原生地幔(primordial mantle)。由于現今OIB都相對年輕(一般不老于60 Ma),這種未經曆去氣作用的原生地幔是否在地質曆史時期上長期存在尚不清楚。 

  澳大利亞墨爾本大學Jon Woodhead 教授及其合旺彩官网利用金伯利岩對該問題進行了研究。金伯利岩是目前已知的地球上來源深度最深的岩漿(最大深度可達800公裏),它貧矽、富含揮發份(H2OCO2等),被認爲是富集地幔非常低程度部分熔融的産物。金伯利岩也是金剛石的重要賦存岩石,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岩噴發記錄,使得它能夠成爲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岩進行了系統的Nd-Hf同位素研究,結果表明老于200 Ma的金伯利岩的Nd-Hf同位素都落在同一條線性演化線上(圖1),他們將這種金伯利岩稱爲原始金伯利岩(primitive kimberlite)。他們認爲原始金伯利岩Nd-Hf同位素沿線性演化線分布的原因是它們來源于均一的地幔源區,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岩具有非常高的3He/4He值,他們因此提出原始金伯利岩是來源于未去氣的原生地幔,從而原生地幔自20億年來就長期孤立地存在于地球的深部,且未遭受俯沖物質大規模混染作用的影響。 

 

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

2  原始金伯利岩(彩色圓點)與異常金利岩(灰色方塊)的初始Nd-Hf同位素。(a)原始金伯利岩基本上與MORB都沿地球陣列(terrestrial array)趨勢分布,而異常金伯利岩則偏離該趨勢。(b)模擬結果表明原始金伯利岩的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,但與俯沖陸源沈積物(terrigenous sediment)以及遠洋沈積物(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于南非、巴西、加拿大西部等地區小于200 Ma的部分金伯利岩出現相對富集的Nd-Hf同位素组成,并明显偏离由原始金伯利岩定义的线性演化线(圖1)。這些具有富集Nd-Hf同位素組成的金伯利岩被稱爲異常金伯利岩(anomalous kimberlite。通過模擬計算,旺彩官网認爲這些異常金伯利岩的富集Nd-Hf同位素特征可以通過在其源區加入小于10%5-10亿年陆壳沉积物来解释。考虑到巴西、南非簣D幽么笪鞑吭200 Ma時均位于Pangea超级大陆西部边缘的俯冲带上(圖3),旺彩官网從而提出這些異常金伯利岩的源區遭受了俯沖物質的混染與改造。 

3  200 Ma時期的Pangea大陸。其中白色圓圈代表原始金伯利岩的位置,金色圓圈代表異常金伯利岩的位置,紅色線代表潘吉亞大陸西部邊緣的俯沖帶(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于地球的深部地幔中,而且未遭受俯沖物質的大規模改造,直到200 Ma以後,沿Pangea超大陸俯沖作用才使得該原生地幔加入了俯沖的陸殼物質。這一結果對于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)盡管旺彩官网認爲金伯利岩漿主要來自于上、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岩可能起源更淺部的軟流圈與岩石圈的邊界(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?這一問題的回答對于區分MORBOIB具有直接的意義。 

  2)本研究所利用的金伯利岩Hf-Nd同位素來自于全岩分析數據,但考慮金伯利岩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,但全岩的Nd-Hf同位素能否代表金伯利岩漿源區的特征仍有疑義。在這方面,對金伯利岩中的鈣钛礦開展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。 

  主要參考文獻 

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

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  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.鏈接 

(撰稿:劉傳周,孫晶/岩石圈室)

 
地址:北京市朝阳区北土城西路19号 邮 编:100029 旺彩网址:http://www.ruanwenxue.com 网站地图
版权所有© 2009- 中國科學院地质与地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號