洋岛玄武岩中钌(Ru)和钨(W)同位素系统揭示地核物质泄漏的直接证据

为解决地幔柱物质来源中是否存在核-幔相互作用的争议，研究人员通过分析洋岛玄武岩(OIB)中钌(Ru)和钨(W)同位素组成，首次发现夏威夷玄武岩具有显著高于环境地幔的ε100Ru值与非放射成因μ182W特征，证实其地幔源区存在地核物质贡献。该研究为核-幔物质交换提供了同位素直接证据，发表于《Nature》。

　　

地球深部物质循环一直是地球科学的核心问题。传统理论认为地核与地幔因物理化学性质差异而长期隔离，但部分洋岛玄武岩(OIB)中异常的非放射成因钨同位素(μ¹⁸²W)和高³He/⁴He比值暗示可能存在核-幔物质交换。然而，这一假说长期缺乏直接证据：一方面，钨同位素异常也可能源自早期硅酸盐分异或晚期陨石添加；另一方面，高度亲铁元素(HSE)浓度未在相关样品中显示预期异常。

德国哥廷根大学Nils Messling团队创新性地利用钌(Ru)同位素作为新示踪剂。Ru作为极端亲核元素，其地幔含量几乎全部来自后期陨石添加，而地核应保留地球早期吸积物质的s-过程核合成特征。通过分析夏威夷、冰岛等热点区域的OIB样品，结合锆(Zr)、钼(Mo)同位素关联分析，首次发现夏威夷玄武岩具有显著s-过程富集的ε¹⁰⁰Ru异常(最高达+0.17)，且与μ¹⁸²W负异常呈耦合关系。这种组合特征只能用地核物质加入解释，因为其他模型（如晚期陨石或早期硅酸盐储库）均无法同时满足Ru-W同位素系统学约束。

关键技术包括：1）镍硫火试金法(NiS-FA)富集超低含量Ru；2）改进的四氧化钌(RuO₄)蒸馏纯化技术（收率提升至87%）；3）高精度MC-ICP-MS测定Ru同位素；4）激光剥蚀与溶液进样结合测定W同位素。样本涵盖夏威夷基拉韦厄火山、考艾岛、加拉帕戈斯等典型OIB，以及伊苏阿太古宙地幔岩参比样品。

Ru同位素组成特征
现代上地幔标准值ε¹⁰⁰Ru≈0，而夏威夷OIB平均达+0.09，基拉韦厄火山样品最高达+0.11。通过非碳质球粒陨石的ε¹⁰⁰Ru-ε⁹⁶Zr相关性推算，地核应具有更高s-过程特征（ε¹⁰⁰Ru≈+0.15）。

核-幔相互作用模型
两种混合模型被验证：1）直接添加0.25%地核物质可解释同位素异常，但会导致HSE浓度异常（与观测矛盾）；2）更可行的氧富集核幔边界(CMB)层混合模型，仅需0.3%的氧化物相核心物质（ε¹⁰⁰Ru=+1.1），即可协调同位素异常与HSE浓度约束。

排除替代解释
早期硅酸盐储库假说因缺乏关联μ¹⁴²Nd异常被排除；晚期陨石添加模型与ε¹⁰⁰Ru演化趋势相悖——晚陨石需具ε¹⁰⁰Ru<0才能将太古宙地幔ε¹⁰⁰Ru(+0.22)降至现代值。

该研究开创性地将Ru同位素作为核-幔相互作用的"基因指纹"，证实了地核物质可通过地幔柱向上迁移。这不仅解决了长期存在的μ¹⁸²W异常起源争议，还为核幔边界的化学交换机制（如氧化物外核层析出）提供了关键约束。未来结合Os同位素与HSE浓度分析，有望进一步揭示核幔相互作用的时空尺度与地球动力学意义。