地球早期地幔化學(xué)不均一性及其成因機(jī)制*

楊進(jìn)輝 梅清風(fēng)

地幔是硅酸鹽地球的主要組成部分，其化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)等的研究是探索地球形成演化、揭示核幔分異、殼幔分異、初始大氣圈與水圈形成等地球早期重大地質(zhì)事件的基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代以來，地幔在不同尺度上存在著元素和同位素不均一的現(xiàn)象逐漸被地球科學(xué)家所認(rèn)知，這是地球化學(xué)領(lǐng)域最重要的發(fā)現(xiàn)之一，目前仍是固體地球科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。地?；瘜W(xué)不均一性通常認(rèn)為與巖石圈拆沉、洋殼俯沖所引起的物質(zhì)再循環(huán)-地幔交代等過程相關(guān)(Zindler and Hart, 1986; Hofmann, 1997; Stracke, 2012; White, 2015)，但這些成因機(jī)制的解釋均基于經(jīng)典的板塊構(gòu)造理論。然而，地球早期被認(rèn)為具有與現(xiàn)今板塊構(gòu)造完全不同的構(gòu)造體制(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018)，在板塊構(gòu)造啟動之前地幔是否不均一？地球早期地幔不均一如何形成？現(xiàn)今地幔不均一是否在地球早期就已經(jīng)形成并存在了40多億年？這些問題的研究是認(rèn)知地球早期演化的關(guān)鍵。

近年來，隨著地球化學(xué)分析技術(shù)的進(jìn)步及人類對地球早期演化歷史研究的深入，越來越多的研究證明地球早期地幔也存在不均一性，且形成于非板塊構(gòu)造體制背景之下(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018; Meietal., 2020; Puchteletal., 2022a)。為了探索地球早期地幔和大陸演化，本文在收集目前已有相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合近期我們在Hf-W同位素體系等方面的研究進(jìn)展，系統(tǒng)地總結(jié)了地球早期地幔不均一的相關(guān)地球化學(xué)資料，探討了地球早期地幔不均一性形成的可能動力學(xué)過程，進(jìn)而提出地球早期地幔不均一性研究的未來發(fā)展方向。

1 地?；瘜W(xué)不均一性

2 地球早期地幔不均一的地球化學(xué)證據(jù)

長壽命放射性同位素體系(如87Rb-87Sr、147Sm-143Nd等)在現(xiàn)今地幔不均一性研究中起到至關(guān)重要的作用，但地球早期演化研究的對象多為古老地球樣品，強(qiáng)烈的后期地質(zhì)作用改造了樣品中Rb-Sr、Sm-Nd等同位素體系，使得樣品的Sr、Nd等同位素組成很難有效示蹤樣品形成時(shí)的地幔源區(qū)特征，也很難進(jìn)行全球?qū)Ρ?。短壽命放射性同位素體系(如129I-129Xe、146Sm-142Nd和182Hf-182W)則能很好地解決樣品遭受后期改造的問題，它們的母體同位素僅存在于太陽系演化的早期，短壽命的放射性核素滅絕以后，封閉體系的子體同位素豐度將不再受后期巖漿和變質(zhì)作用的影響，能夠直接有效示蹤早期地幔的性質(zhì)和組成，正因?yàn)榇?，隨著滅絕核素分析技術(shù)的進(jìn)步，地球早期地幔不均一才逐漸被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。

2.1 Xe同位素

稀有氣體同位素能夠有效示蹤地球揮發(fā)分來源、地幔去氣過程、地幔對流模式以及地球內(nèi)部與大氣間揮發(fā)分交換(Mukhopadhyay and Parai, 2019)。MORB與OIB具有不同的稀有氣體同位素組成，通常被認(rèn)為是其地幔源區(qū)遭受不同程度去氣的結(jié)果，MORB的地幔源區(qū)較淺，去氣作用較強(qiáng)，而OIB的地幔源區(qū)較深，去氣作用較弱，因此，稀有氣體同位素也是地幔不均一性的地球化學(xué)證據(jù)之一(Staudacher and Allègre, 1982; Kurzetal., 1983, 2009; Allègreetal., 1987; Porcelli and Wasserburg, 1995; Graham, 2002; Gonnermann and Mukhopadhyay, 2009)。但與3He/4He等稀有氣體同位素不同，Xe同位素(129Xe)是滅絕核素129I經(jīng)過β-衰變形成，半衰期為15.7Myr；另外一個(gè)同位素(136Xe)則是由滅絕核素244Pu經(jīng)過自發(fā)裂變形成，半衰期為80Myr，或由238U自發(fā)裂變形成，但半衰期比244Pu長(Mukhopadhyay and Parai, 2019)。因此，129I-129Xe體系可以用于研究太陽系最初～100Myr內(nèi)發(fā)生的事件。

圖1 Iceland和Rochambeau的地幔柱起源樣品以及MORB的129Xe/130Xe-3He/130Xe圖解(據(jù)Pet et al., 2013修改；誤差線為1σ)Fig.1 Plot of 129Xe/130Xe vs. 3He/130Xe for plume-derived samples from the Iceland and the Rochambeau Rift together with MORB (modified after Pet et al., 2013; Error bars are 1σ)

2.2 142Nd同位素

142Nd是由滅絕核素146Sm衰變而成，其半衰期為103Myr(Meissneretal., 1987; Fangetal., 2022)，能夠揭示太陽系演化歷史最初600Myr內(nèi)發(fā)生的地質(zhì)事件。Boyet and Carlson (2005, 2006)發(fā)現(xiàn)古老地球樣品的142Nd/144Nd平均值明顯高于球粒隕石(約20×10-6)，進(jìn)而提出硅酸鹽地球在太陽系形成后的30Myr內(nèi)(146Sm-142Nd和147Sm-143Nd兩個(gè)體系共同制約的結(jié)果，若分異晚于太陽系形成后的30Myr，將產(chǎn)生高于MORB的143Nd/144Nd值)發(fā)生了強(qiáng)烈分異，形成了具有低Sm/Nd的早期地幔富集庫(early enriched reservoir, EER)或初始地殼，與之互補(bǔ)的地幔具有高于球粒隕石的Sm/Nd比值(在硅酸鹽巖漿分異過程中，Nd的不相容性大于Sm)，隨著146Sm的衰變，形成高于球粒隕石的142Nd/144Nd比值(Boyet and Carlson, 2005, 2006; O’Neill and Palme, 2008)。這一模型的前提條件是：早期形成的富集地?；蛘咴傺h(huán)的初始地殼在地幔中一直保持封閉，獨(dú)立于周圍地幔，或者初始地殼在隕石的撞擊侵蝕作用下離開地球，不再參與硅酸鹽地球的后期混合。需要注意的是，Burkhardtetal. (2016)提出高于球粒隕石142Nd/144Nd值的地球樣品是不同核合成過程形成的核素不均勻混合的結(jié)果，并不能反映地幔Sm/Nd比值高于球粒隕石，經(jīng)過核合成異常校正后的地球樣品和球粒隕石樣品具有一致的142Nd/144Nd比值。

隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，地球樣品高精度142Nd同位素?cái)?shù)據(jù)的增多，地幔μ142Nd值(樣品相對實(shí)驗(yàn)室標(biāo)樣142Nd/144Nd比值的百萬分偏差)隨時(shí)間演化的規(guī)律逐漸清晰。統(tǒng)計(jì)已發(fā)表的太古宙幔源樣品的μ142Nd值發(fā)現(xiàn)，太古宙幔源巖石具有較大變化范圍的μ142Nd(從-20到+20)，且隨著時(shí)間演化，逐漸趨同于現(xiàn)代地幔的平均值(μ142Nd=0)，即太古宙末之后的幔源樣品μ142Nd值變化范圍較小，這一現(xiàn)象不僅揭示了地球早期地幔142Nd同位素的不均一(圖2)，也反映了不同地質(zhì)歷史時(shí)期在不同構(gòu)造體制下的地?；旌闲?Meietal., 2020; Tuschetal., 2021)。

2.3 182W同位素

與146Sm-142Nd同位素體系類似，182Hf-182W體系也是短壽命放射性衰變體系。滅絕核素182Hf經(jīng)過β-衰變形成182W，半衰期為8.90±0.09Myr(Vockenhuberetal., 2004)。Hf和W具有顯著不同的地球化學(xué)特征，親石元素Hf全部進(jìn)入硅酸鹽相，而W作為中度親鐵元素傾向進(jìn)入到金屬相，因此，182Hf-182W體系是限定行星金屬核和硅酸鹽分異時(shí)間的有力工具(Kleineetal., 2009; 梅清風(fēng)和楊進(jìn)輝, 2018)。行星金屬相-硅酸鹽相分異時(shí)，如果182Hf尚未滅絕，隨著滅絕核素182Hf衰變形成182W，高Hf/W地幔中的182W同位素豐度(μ182W值約為0，μ182W為樣品相對實(shí)驗(yàn)室標(biāo)樣NIST SRM 3163或Alfa Aesar W的182W/184W比值的百萬分偏差)將高于幾乎不含Hf的地核(μ182W值約為-220; Toubouletal., 2012)，也高于未經(jīng)分異的球粒隕石(μ182W值約為-190; Kleineetal., 2009)。

近年來，隨著分析技術(shù)的進(jìn)步，μ182W的分析精度已優(yōu)于±5(2SD)(Touboul and Walker, 2012; Meietal., 2018; Chuetal., 2020)，地球樣品中微小的μ182W變化得以識別(圖3)。統(tǒng)計(jì)已發(fā)表的W同位素?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地球硅酸鹽樣品的W同位素組成具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：冥古宙和太古宙的地球硅酸鹽樣品多具有正的μ182W值(Willboldetal., 2011; Toubouletal., 2012; Meietal., 2020; Tuschetal., 2021; Puchteletal., 2022a, b)，僅南非Kaapvaal克拉通3.6～3.3Ga科馬提巖和TTG巖石的μ182W值為負(fù)值到0(Puchteletal., 2016; Meietal., 2020; Tuschetal., 2022)；年輕的洋島玄武巖樣品μ182W值的變化范圍較大(約-23到0，Mundletal., 2017; Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019; Jacksonetal., 2020)。太古宙幔源巖石樣品相對較大的W同位素組成變化范圍揭示了地球早期地幔的不均一性，但3.5～3.2Ga之后，多數(shù)地球樣品(除OIB外)均具有現(xiàn)代地幔平均值(μ182W=0)，這種隨時(shí)間的W同位素變化規(guī)律可能反映不同地質(zhì)歷史時(shí)期地幔的混合效率，并與地球構(gòu)造體制的轉(zhuǎn)換緊密相關(guān)(Meietal., 2020; Tuschetal., 2021)。而年輕的洋島玄武巖(OIB)所具有的負(fù)μ182W值則可能是地球早期硅酸鹽地球分異或核幔相互作用的結(jié)果(Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019)。

圖2 不同年齡幔源巖石樣品的μ142Nd值(據(jù)Puchtel et al., 2022a修改)數(shù)據(jù)來源于Puchtel et al., 2022a及其參考文獻(xiàn)；誤差線為2SDFig.2 μ142Nd values for mantle-derived samples with different ages (modified after Puchtel et al., 2022a)Data from Puchtel et al. (2022a) and references therein; Error bars are 2SD

圖3 地球上不同時(shí)代幔源巖石樣品的μ182W值數(shù)據(jù)引自Puchtel et al. (2022a)及其參考文獻(xiàn)和Tusch et al. (2022)及參考文獻(xiàn). 誤差線為2SDFig.3 μ182W values for mantle-derived samples with different agesData from Puchtel et al. (2022a) and references therein and Tusch et al. (2022) and references therein. Error bars are 2SD

在發(fā)現(xiàn)早期硅酸鹽地球存在顯著不均一的現(xiàn)象后，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度、不同元素-同位素體系(如鉑族元素、Os、He、O等同位素體系)進(jìn)一步識別驗(yàn)證了這一現(xiàn)象。如Byerlyetal. (2017)在研究南非巴布頓綠巖帶科馬提巖(約32.7億年)中發(fā)現(xiàn)橄欖石的O同位素(δ18O=2.9‰～4.1‰)明顯低于正常地幔值，區(qū)別于44億年巖漿鋯石(來自上地?；蛘叩貧さ娜垠w)的接近現(xiàn)代地幔值的氧同位素組成(δ18O=5.5±0.5‰)，提出科馬提巖源區(qū)O同位素不均一性形成于44億年前的巖漿洋事件，低δ18O是深部巖漿海礦物從硅酸鹽相向金屬氧化物相轉(zhuǎn)變過程中形成的。

3 地球早期地幔不均一性形成的動力學(xué)機(jī)制

地幔端元組分(如DMM、EM1、EM2和HIMU)的識別最初是基于大洋玄武巖的研究，代表了不同的地幔演化過程，通常認(rèn)為是地殼物質(zhì)通過俯沖、拆沉、交代地幔的產(chǎn)物(Hofmann and White, 1982; Zindler and Hart, 1986; Cabraletal., 2013; Castillo, 2015)，然而，這些深部動力學(xué)過程多與現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制下有關(guān)(Stracke, 2012)。但地球早期的構(gòu)造樣式、板塊構(gòu)造是否存在仍存在著較大爭議(Foleyetal., 2003)，地球早期地幔不均一可能形成于非板塊構(gòu)造體制背景下(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018)，與早期地幔分異、后期增生物質(zhì)的不均勻混合或核幔相互作用有關(guān)(圖4)。

圖4 早期地幔不均一性的三種成因機(jī)制(a)早期地幔分異(Caro et al., 2003; Mukhopadhyay, 2012; Touboul et al., 2012)；(b)后期增生物質(zhì)緩慢不均勻混合(Willbold et al., 2011, 2015);(c)核幔相互作用(Walker et al., 1995; Rizo et al., 2019; Mundl-Petermeier et al., 2020)Fig.4 Three mechanisms generating the early mantle heterogeneity(a) early mantle differentiation (Caro et al., 2003; Mukhopadhyay, 2012; Touboul et al., 2012); (b) sluggish mixing of the late accreted material (Willbold et al., 2011, 2015); (c) core-mantle interaction (Walker et al., 1995; Rizo et al., 2019; Mundl-Petermeier et al., 2020)

3.1 早期地幔分異

3.2 后期增生物質(zhì)的不均勻混合

地核形成之后，約有相當(dāng)于地球質(zhì)量0.5%的地外物質(zhì)加入到地幔中，這一過程被稱為后期增生(late accretion)(Walkeretal., 2015)。后期增生物質(zhì)富集強(qiáng)親鐵元素(highly siderophile elements, HSE)，較好地解釋地幔中強(qiáng)親鐵元素含量遠(yuǎn)高于根據(jù)高溫高壓實(shí)驗(yàn)所獲得的各元素分配系數(shù)計(jì)算得到的理論豐度 (Kimuraetal., 1974; Ringwood and Kesson, 1977; Chou, 1978; Mitchell and Keays, 1981; Beckeretal., 2006)。近年來，后期增生物質(zhì)的具體成分和來源(源于內(nèi)太陽系還是外太陽系)引起了廣泛的討論(Wang and Becker, 2013; Bermingham and Walker, 2017; Fischer-G?dde and Kleine, 2017; Buddeetal., 2019; Fischer-G?ddeetal., 2020; Mei and Yang, 2022)，但可以確定的是后期增生物質(zhì)富含親鐵元素且具有極低的μ182W值。

在非板塊構(gòu)造體制下，硅酸鹽地幔混合、均一化效率很低(O’Neill and Debaille, 2014)，后期增生物質(zhì)與周圍地幔難以充分混合，造成早期地?；瘜W(xué)不均一。古老地球樣品的W同位素異?？赡苁勤す胖婧吞胖娴蒯Ｅc后期增生物質(zhì)不均勻混合的結(jié)果。后期增生物質(zhì)的平均μ182W值約為-190，因此缺乏后期增生物質(zhì)的地幔區(qū)域具有高的μ182W值，而富集后期增生物質(zhì)的地幔區(qū)域則具有低的μ182W值(Willboldetal., 2011, 2015; Archeretal., 2019; Meietal., 2020; Nakanishietal., 2021)。但大量地球早期樣品多具有正μ182W值(如：Isua、Acasta、中國鞍山和Pilbara樣品)。值得注意的是，與地球早期相似成因的月球樣品經(jīng)過宇宙射線效應(yīng)校正后的μ182W值為26±3，被認(rèn)為代表后期增生之前的硅酸鹽地球的W同位素組成(Kruijeretal., 2015; Toubouletal., 2015; Kruijer and Kleine, 2017)，因此，正μ182W的樣品可能來源于未混入大量后期增生物質(zhì)的地幔(Willboldetal., 2011, 2015; Daleetal., 2017; Archeretal., 2019)。

3.3 核幔相互作用

核幔分異后，地核與地幔之間的物質(zhì)交換改變了地幔的化學(xué)成分，在核幔邊界形成了帶有地核“信號”的地幔，其隨著地幔柱的上升到淺部地幔或地表形成硅酸鹽地球的不均一(Walkeretal., 1995; Humayunetal., 2004)，親鐵元素含量、187Re-187Os和190Pt-186Os長壽命放射性衰變體系以及182Hf-182W短壽命放射性衰變體系是示蹤核幔相互作用的有效手段(楊振等, 2022)?；阼F隕石的研究，Walkeretal. (1995)認(rèn)為地球內(nèi)核結(jié)晶過程中會造成Re-Pt-Os分異，它們的分配系數(shù)(固態(tài)金屬相-液態(tài)金屬相)關(guān)系為：DOs>DRe>DPt，Os傾向于進(jìn)入固態(tài)內(nèi)核，地球的液態(tài)外核因而具有高于球粒隕石的Pt/Os和Re/Os比值，隨著190Pt和187Re分別衰變形成186Os和187Os，因此，外核具有高的186Os/188Os和187Os/188Os比值(Walkeretal., 1995)。這兩個(gè)長壽命放射性衰變體系中，187Re的半衰期為～420億年(Smoliaretal., 1996)，而190Pt的半衰期則長達(dá)～4890億年(Cooketal., 2004; Brandon and Walker, 2005)。另外，190Pt的同位素豐度極低，因此只有古老或強(qiáng)烈的Pt-Os分異才能產(chǎn)生可分辨的186Os/188Os變化。目前在夏威夷苦橄巖、西伯利亞大火成巖省的Noril’sk礦石、Gorgona科馬提巖和Kostomuksha科馬提巖中發(fā)現(xiàn)了耦合的186Os-187Os同位素組成，樣品的186Os/188Os和187Os/188Os比值高于同期的地幔值，這一特征指示形成這些樣品的地幔柱源區(qū)具有地核物質(zhì)的貢獻(xiàn)(Walkeretal., 1995; Brandonetal., 1998, 1999, 2003; Puchteletal., 2005)。

如前文所述，地核和地幔的W同位素組成和W含量差異巨大，地核的μ182W值為-220且W含量遠(yuǎn)高于地幔，這使得W同位素成為研究核幔相互作用的有力工具。近年來，地幔柱相關(guān)巖石的W同位素研究也進(jìn)一步證實(shí)核幔相互作用的存在，大量洋島玄武巖樣品具有μ182W負(fù)異常(約-23到0)，揭示了來自地核物質(zhì)參與了洋島玄武巖的形成(Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019; Jacksonetal., 2020)。然而，外核物質(zhì)與地幔的物理混合模型受到了來自幔源巖石強(qiáng)親鐵元素研究的挑戰(zhàn)。外核物質(zhì)直接進(jìn)入到地幔必然會造成核幔邊界的HSE含量升高，而地幔柱成因巖石中并未觀察到相應(yīng)程度的強(qiáng)親鐵元素富集。為了解釋這一矛盾，Puchtel and Humayun (2000)提出位于核幔邊界的地幔物質(zhì)可以通過同位素平衡的方式獲得外核的Os同位素特征。類似地，負(fù)的μ182W特征也可以經(jīng)過核幔同位素平衡作用的方式進(jìn)入到地幔，并通過地幔柱作用進(jìn)入到淺部地幔和地表(Rizoetal., 2019; Mundl-Petermeieretal., 2020)。此外，外核的W還可以通過Si-Mg-Fe氧化物出溶的方式進(jìn)入到地幔，可解釋地幔柱相關(guān)巖石中W同位素組成與HSE含量解耦的現(xiàn)象(Badroetal., 2016; O’Rourke and Stevenson, 2016; Hiroseetal., 2017; Rizoetal., 2019)。值得注意的是，地球早期可能也存在核幔相互作用，并通過地幔柱作用擴(kuò)展到淺部地幔形成早期地幔不均一(Puchtel and Humayun, 2000; Puchteletal., 2005)。

4 未來研究展望

地球早期地幔不均一性的研究涉及到地球形成、地球增生過程、核幔分異、殼幔分異、巖漿洋演化與初始大陸地殼形成、地球早期水圈-大氣圈形成、板塊構(gòu)造啟動等重大地質(zhì)事件，是揭示地球早期演化的基礎(chǔ)。由不同來源核合成成分不均勻混合導(dǎo)致的金屬元素的同位素異常(指無法用質(zhì)量分餾、放射性衰變和宇宙射線輻射解釋的隕石和地球樣品同位素組成上的差異；秦禮萍，2015)是隕石和地球早期樣品的良好示蹤劑，天體化學(xué)研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的在隕石全巖尺度上存在同位素異常的體系，包括Ca、Ti、Cr、Ni、Sr、Zr、Mo、Ru、Pd、Ba、W和Pt等(Dauphasetal., 2002, 2014; Yinetal., 2002; Andreasen and Sharma, 2006, 2007; Qinetal., 2008; Regelousetal., 2008; Leyaetal., 2009; Trinquieretal., 2007, 2009; Chenetal., 2010; Akrametal., 2013; Mayeretal., 2015; Spitzeretal., 2021)。但僅有部分同位素體系結(jié)合短壽命放射性衰變體系被運(yùn)用于制約后期增生物質(zhì)來源和早期地幔不均一的研究中，如Mo、Ru和W同位素(Buddeetal., 2019; Fischer-G?ddeetal., 2020; Worsham and Kleine, 2021; Tuschetal., 2022; Mei and Yang, 2022)。因此，建立硅酸鹽樣品高精度同位素分析技術(shù)，利用多元同位素體系研究地球早期樣品和地幔柱起源樣品，能夠揭示地球增生物質(zhì)來源、早期核幔分異過程和早期地幔不均一的成因機(jī)制，進(jìn)而打開地球早期演化研究的新局面。另外，核幔邊界是長時(shí)間保存早期形成的地幔不均一的場所(Mundletal., 2017; Petersetal., 2018; Tuschetal., 2022)，利用地球物理和高溫高壓實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)相結(jié)合的研究方法，探究核幔邊界的結(jié)構(gòu)、高溫高壓條件下金屬相與硅酸鹽相之間元素分配和同位素交換過程，有助于探索核幔相互作用的具體過程和機(jī)制，揭示早期地幔不均一得以長時(shí)間保存的原因，提升人類對地球早期地幔演化的認(rèn)知。

謹(jǐn)以此文祝賀周新華老師八十華誕及從事科研六十載。周老師精益求精的科研、治學(xué)精神、對學(xué)生的精心培養(yǎng)令筆者終身受益。

致謝感謝黃方教授和另一位匿名評審專家對本文提出的寶貴修改意見；感謝俞良軍、湯艷杰、趙新苗博士的幫助和大力支持。