现代洋岛岩浆源区中的冥古宙布里奇曼石

《Nature》：Hadean bridgmanite in the source of a present-day ocean island

　　

约束地球内部复杂动力学是地球化学、地球物理学和地球动力学等多学科研究的共同目标。地震学和地球动力学研究揭示了地幔结构的现今状态，而地球化学方法则刻画其化学和同位素不均一性，为理解地幔演化复杂性提供依据。确定这些化学不均一性的年龄和成因是关键挑战之一。研究人员通过高精度 Nd 同位素测量，在现代火山岩中识别出可追溯到地球最早历史的不均一性。在科摩罗群岛法尼马奥雷（Fani Maoré）海底火山的熔岩中，研究人员报道了显著的正 142Nd 异常。这些异常表明，地幔中保存着在地球历史最初 1 亿年内形成的轻稀土元素（REE）亏损物质。研究人员认为该物质主要由早期地球岩浆洋结晶的布里奇曼石（bridgmanite，钙钛矿结构的高压硅酸盐矿物，下地幔主要矿物相）组成。这种冥古宙布里奇曼石可能比此前预期更广泛地分布于现今地幔中，为其在数十亿年板块构造和剧烈地幔对流中的保存提出新疑问。

研究背景与问题

板块内部和洋中脊火山作用为整体地幔结构和成分提供了宝贵且互补的约束。洋岛玄武岩（OIB）和洋中脊玄武岩（MORB）中测得的化学和同位素变化表明，地幔中存在数十亿年前形成并保存至今的不均一性。然而，化学不均一性随时间推移应被逐渐稀释，使得探测追溯到太古宙或冥古宙的信号极具挑战。尽管存在例外情况——如 Mangaia 和 Pitcairn OIB 中识别出大氧化事件前形成的表物质异常硫同位素特征，以及冰岛、萨摩亚、加拉帕戈斯、夏威夷等 OIB 中高 ³He/⁴He 指示原始地幔物质的存在——但探测早期事件仍非常困难。Hf–W 和 I–Xe 短寿命地质年代计的同位素不均一性虽已在 OIB 中报道，但研究人员聚焦于更能揭示硅酸盐分异、大陆形成及再循环的 Sm–Nd 同位素体系。钐有两个放射性同位素：长寿命的 ¹⁴⁷Sm 衰变为 ¹⁴³Nd（半衰期 10⁶ Gyr），短寿命的 ¹⁴⁶Sm 衰变为 ¹⁴²Nd（半衰期 92 Myr）。¹⁴⁶Sm–¹⁴²Nd 体系的短半衰期为探测地球最初 500 Myr 内发生的硅酸盐分异事件提供了独特可能，但其潜在变化幅度有限。虽然部分保存于大陆环境的太古宙样品显示出高达 20 ppm 的 ¹⁴² Nd 盈亏，但大多数显生宙岩石具有均一的 ¹⁴² Nd 同位素特征，与现代地幔参考成分难以区分。此前多项研究尝试在现代 MORB 和 OIB 中识别 ¹⁴² Nd 同位素变化，但多数已发表数据处于地幔参考成分典型 5 ppm 误差范围内。为探测小于 5 ppm 的 ¹⁴² Nd/¹⁴⁴ Nd 比值差异，需要更高精度。

高精度 Nd 同位素测量揭示法尼马奥雷正 ¹⁴² Nd 异常

研究人员采用热电离质谱法（TIMS）新的五行多接收动态方法，实现了参考材料 ¹⁴² Nd/¹⁴⁴ Nd 比值 2 年长期再现性 3.1 ppm（2 s.d.）的高精度测量。研究测量了马约特（Mayotte）岛 flan 的 8 个碧玄岩和响岩样品，以及法尼马奥雷的 13 个碧玄岩样品。马约特样品平均 μ¹⁴²Nd 为 +1.3±1.3/±3.6（2 s.e./2 s.d.），而法尼马奥雷碧玄岩具有平均正 μ¹⁴²Nd 值 +3.2±0.9/±3.3（2 s.e./2 s.d.）。该正值与 JNdi-1 值显著不同（P 值 = 9×10^?6）。两者具有不可区分的 ε¹⁴³Nd 值。法尼马奥雷熔岩中显著的 ¹⁴² Nd 过剩表明，其源区保存了冥古宙时期形成、具有高于整体硅酸盐地球（BSE）Sm/Nd 比的物质，且至少保存了 4.3 Gyr。

正 ¹⁴² Nd 异常的浅部成因探讨

由大陆地壳提取形成的亏损地幔储库是解释正 μ¹⁴² Nd 值的常见候选。然而，大陆地壳形成及其相关地幔 depleted 作用仅在约 3.8 Ga 后被确切记录，此时地幔 μ¹⁴²Nd 应为 0。即便假设地壳提取年龄为 4.3 Ga，该亏损源现今 μ¹⁴²Nd 约为 +6，但需要约 90% 的该 depleted 物质才能匹配法尼马奥雷的 μ¹⁴²Nd 和 ε¹⁴³Nd 值，如此巨大的体积使其在约 4.3 Gyr 对流地幔中的保存受到严重质疑。因此，需要寻找能够产生足够大体积或可产生更强正 ¹⁴² Nd 异常以减少所需比例的替代机制。

岩浆洋固结：深部成因机制

研究人员探索了深部地幔岩浆洋固结产生并保存此类储库的可能性。月球形成大撞击后，地幔广泛熔融直达核幔边界。岩石学、矿物学和动力学模型均支持深部地幔晶体形成和基底岩浆洋的存在。在此条件下，固结遵循三阶段序列：（1）仅布里奇曼石结晶至 30–40% 固结；（2）布里奇曼石与方镁铁矿（ferropericlase）共结晶至约 90% 固结；（3）最后少数百分比的固结由布里奇曼石、方镁铁矿和钙钛矿型 CaSiO₃（Ca-perovskite）完成。研究人员使用激光加热金刚石压砧（DAC）在 53–97 GPa 压力下直接测量了布里奇曼石与熔体间 Sm 和 Nd 分配系数，得到 D^liq–brid(Nd) = 0.24±0.12 和 D^liq–brid(Sm) = 0.45±0.10。模型显示，随着结晶进行，Nd 在残余熔体和固相中逐渐富集，而 Sm/Nd 比在两相中均降低。直至 90% 结晶，所有固相 Nd 含量最低约为亏损 MORB 地幔（DMM）的一半，但其 ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd 比值高得多（0.38–0.25）。90–100% 结晶时，Nd 含量大幅增加，¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd 比值降至初始液相组成以下。因此，从岩浆洋结晶的大部分深部地幔以布里奇曼石为主且具有高 Sm/Nd 比，使其成为产生产生正 ¹⁴² Nd 异常地幔物质的理想候选。

深部成因模型的同位素演化验证

研究人员模拟了早期地球岩浆洋深处结晶固体的现今 Nd 同位素组成，假设月岩大撞击为最后一次使大部分地幔熔融的事件（估计发生在地球历史最初 65 Myr 内或之后最多 80 Myr），采用 4.46 Gyr 作为结晶年龄。选择 10%、35% 和 75% 结晶三个快照，模拟固态相的同位素演化。这些情况下瞬时固体的 Sm/Nd 比远高于 BSE 或地壳提取 depleted 地幔。模拟的现今 μ¹⁴² Nd 值从 10% 结晶时的 +112 到 75% 结晶时的 +60，相应 ε¹⁴³Nd 从 +100 到 +55。近期地球动力学模拟表明，冥古宙岩浆洋结晶及后续地幔对流过程中，最早形成固体的部分可被保存。因此，冥古宙深部地幔中富含布里奇曼石的物质可能保存在对流普通地幔中，贡献于法尼马奥雷源区。法尼马奥雷平均 μ¹⁴²Nd +3.2 可通过源区含 8–10(±3)% 冥古宙布里奇曼石再现，但其平均 ε¹⁴³Nd +3.8 仅需 2–3(±1)%，表明简单二元混合无法解释所有观测，需要第三组分。

引入再循环沉积物调和同位素约束

众多研究表明沉积物质常参与 OIB 源区。研究人员模拟了典型俯冲沉积物——全球俯冲沉积物 GLOSS-II（估计年龄 2 Gyr）的影响。该物质年轻到 μ¹⁴² Nd 为 0，但具有高度负的 ε¹⁴³Nd（约 ?21）。添加约 0.4% 沉积物质几乎不改变冥古宙布里奇曼石比例（9–11% 替代 8–10%），即可调和 μ¹⁴² Nd 和 ε¹⁴³Nd 约束，也与熔岩的 Sr 和 Pb 同位素组成一致。需要指出的是，所需冥古宙物质比例取决于岩浆洋结晶年龄，但只要结晶不晚于 4.35 Ga（此时 ¹⁴⁶Sm 衰变产生的 ¹⁴² Nd 已很少），就保持在较小范围内。

关键技术与方法

样品来源为科摩罗群岛法尼马奥雷海底火山（2018–2021 年喷发）和马约特 Petite-Terre 东翼的溢流玄武岩及响岩样品，通过 MAYOBS 系列海洋学考察航次（2018–2021 年） dredging 获取。主要技术方法包括：（1）基于 Nu Instruments TIMS 的五线多接收动态 Nd 同位素分析方法，实现 ¹⁴² Nd/¹⁴⁴ Nd 高精度测量（长期再现性 3.1 ppm）；（2）四步化学分离纯化流程（AG50W-X8 树脂分离 REE、氧化还原 LN 树脂除 Ce、AG50W-X8 树脂除 Na/Br、薄 LN 树脂分离 Nd）；（3）激光加热金刚石压砧（DAC）高温高压实验，模拟深部岩浆洋条件（53–97 GPa，3200–3700 K），定量测定布里奇曼石与熔体间 Sm、Nd 分配系数；（4）基于分配系数实验参数和岩浆洋结晶序列的瑞利分馏模型，计算瞬时固体和累积固体的稀土元素含量及 Sm/Nd 比值演化；（5）三组分混合模型，模拟冥古宙布里奇曼石、普通地幔和再循环沉积物不同比例混合的同位素效应。

研究结果

高精度 Nd 同位素证实法尼马奥雷正 ¹⁴² Nd 异常：通过五行多动态 TIMS 方法，研究人员在法尼马奥雷碧玄岩中检测到显著的正 μ¹⁴²Nd 异常（+3.2 ppm），统计上区别于现代地幔参考值，为识别现代地幔中冥古宙物质残余提供了可信证据。

岩浆洋结晶模型建立布里奇曼石地球化学特征：DAC 实验测得的 Sm-Nd 分配系数表明，深部条件下布里奇曼石相对 Nd 更富集 Sm，导致早期结晶固体具有高 Sm/Nd 特征。模型揭示岩浆洋最初 90% 固结产生布里奇曼石为主的高 Sm/Nd 固体，为产生正 ¹⁴² Nd 异常的源区物质提供机制。

冥古宙布里奇曼石在现代地幔中的保存与混合：三组分混合计算表明，约 10% 冥古宙布里奇曼石与极少量（约 0.4%）再循环沉积物的组合可再现有 ¹⁴² Nd 和 ¹⁴³ Nd 双同位素约束。近期地球动力学流体模拟也支持岩浆洋结晶早期固体可在后续地幔对流中部分保存。

讨论与结论

法尼马奥雷火山岩显著的正 μ¹⁴²Nd 表明当今地幔中保存有冥古宙物质残余。研究人员评估了解释该储库的浅部成因（大陆地壳提取）和深部成因（岩浆洋固结）两种模型。浅部模型要求源区含 28–90% 冥古宙物质，而深部模型仅需 9–11%，后者在物理保存上更为合理。独立的近期地球动力学模拟显示，岩浆洋固结期间可广泛产生地球化学（Sm/Nd 和 Lu/Hf）不均一性，并在地幔中垂直散布。鉴于曾经由冥古宙布里奇曼石组成的深部地幔规模巨大，部分物质在现代火山作用中被采样是可能的。此前留尼汪岛、冰岛或 Pitcairn 曾报道过正 μ¹⁴² Nd，但受分析精度限制未能明确解释。高精度测量大量 OIB 样品可能揭示类似冥古宙物质比之前认为的更普遍地贡献于 OIB 源区。无论法尼马奥雷异常源区的深部（布里奇曼石结晶）或浅部（地壳提取）成因如何，在地球历史最初 100 Myr 内形成的此类古老不均一性的保存，凸显了地质时间尺度上地幔混合的不完全性。