冥古宙虧損地幔的命運 |劉鵬等-EPSL

地球形成最初的10億年（冥古宙-始太古代時期）是地球45.6億年漫長演化歲月里最為波瀾壯闊的一個時期，它可能見證了地質歷史上第一個大陸的形成，見證了威爾遜循環的開始，見證了生命的出現，奠定了此后地球所有生命演化和構造演化的基礎。同時，這一時期也是地質歷史上最為神秘莫測、最為撲朔迷離的一個時期。地球早期的高熱流環境，強烈的隕石轟擊，以及復雜的變質變形作用的疊加，使得這一時期的關鍵地質記錄殘缺不全。但毫無疑問，這十億年硅酸鹽地球的圈層分異過程極大影響了隨后地殼、地幔、大氣的成分演化和物質演化，塑造了人類現今賴以生存的唯一家園，而與此相關的一系列涉及地球早期地殼-地幔的演化規律、早期地幔-地殼的最終命運等問題也一直是現今地球科學領域爭論不休的基礎問題。

中國科學院地質與地球物理研究所劉鵬副研究員聯合李潮峰研究員、彭澎研究員、郭敬輝研究員和翟明國研究員，以及法國洛林大學Guillaume Caro研究員和河北地質大學崔夏紅助理研究員等對上述問題進行了探討。考慮到早期鋯石Lu-Hf等長周期放射性同位素并未記錄可信的Lu-Hf同位素虧損的信號，有學者提出至少在38億年以前地幔仍呈球粒隕石質特征，即地球早期不可能有虧損地幔和大陸地殼的存在。但基于Lu-Hf等長周期放射性同位素反演地幔演化過程，其中的一個重要假設是這些鋯石所賦存的地殼具有短暫的居留年齡，即巖漿從地幔分離出來之后，其Lu-Hf同位素未經長期演化，就很快被鋯石記錄下來，但冥古宙-始太古代的鎂鐵質地殼常常可以在封閉體系下保存超過10億年，因此這一假設并不成立 (Liou et al., 2022)。加之鋯石所對應的源區常呈富集特征，Lu-Hf等長周期同位素體系往往并不能很好地揭示早期地幔和地殼的形成和演化規律 (Liou et al., 2022)。

Sm-Nd同位素體系中，146Sm的半衰期僅有1.03億年，這意味著146Sm在地球形成最初的5億年就基本衰變完畢，因而地球樣品中任何關于142Nd的異常都只能與冥古宙時期Sm-Nd的分異有關，也因此146Sm-142Nd等短周期放射性同位素體系適用于限定早期地球和其他類地行星的地幔演化過程。近二十年來，隨著同位素分析技術的長足進步，各古老地體的142Nd數據日漸增多，迄今學界共提出多種理論用以解釋現今觀測到的數據分布規律，揭示冥古宙地幔-地殼的最終命運，這些代表性理論分別為：（1）太古宙晚期均一化模式；（2）冥古宙地殼快速生長-快速循環模式；（3）冥古宙地幔長期封閉隔離模式。然而，以往所使用的數據中，中太古代明顯缺失，嚴重依賴始太古代數據，而始太古代數據又強烈不均一。對這些大量的始太古代數據進行分析顯示，其標準偏差（2S.D.）與標樣數據的標準偏差高度正相關，且一些極高正異常的142Nd數據并未在隨后的研究中得到復現，因此始太古代高度變化的142Nd值可能僅僅是測試分析所致，并不能可信地指示早期地幔的高度不均一性。針對明顯缺失的中太古代數據，他們對華北克拉通冀東曹莊地區的3.1Ga斜長角閃巖進行了142Nd分析，更新后的全球數據并未表現出142Nd異常隨時間逐漸減小的趨勢。因此，相比于“太古宙晚期均一化”和“冥古宙地殼快速生長-快速循環”等模型所作的推測，142Nd和143Nd數據分布更可能指示：冥古宙虧損地幔可從4.4Ga一直封閉保存至2.7Ga，在此期間不受或較小受到地幔對流均一化的影響。

經典理論認為，虧損地幔與殼幔分異過程直接相關，是原始地幔部分熔融、熔體抽取形成地殼之后的殘余。近些年有研究表明，深部巖漿海布里奇曼石等高壓相礦物的分離結晶也是早期地幔虧損的可行機制。地球早期的特殊構造體制（如停滯蓋層體制）、基底巖漿洋(basal magma ocean, BMO)的形成、下地幔富集布里奇曼石的高粘度古地幔結構（bridgmanite-enriched ancient mantle structures, BEAMS）等因素在理論上也可以解釋冥古宙虧損地幔域長期封閉隔離免受地幔對流均一化的過程。

結合華北克拉通曹莊地區3.1Ga斜長角閃巖的143Nd成分，及其所具有的正μ142Nd異常特征，曹莊這類幔源巖石可能是4.4 Ga虧損地幔形成之后一直保存至3.1Ga部分熔融的產物（圖1-圖2）。考慮到華北克拉通曹莊地區，北大西洋克拉通Saglek、Isua地區，Abitibi Theo’s flow等地區的幔源巖石在μ142Nd和ε143Nd演化趨勢圖中均處在相同的演化線上，這可能指示它們可能起源于相同的冥古宙虧損地幔源區（圖2）。由于多數古老幔源巖石由142Nd和143Nd聯合限定的地幔虧損時間均在4.4 Ga前后，且部分巖石所對應的地幔源區Lu-Hf和Sm-Nd體系明顯解耦，而下地幔布里奇曼石是目前已知的唯一可以造成Hf-Nd體系解耦的硅酸鹽礦物，因此冥古宙虧損地幔的形成可能與4.4Ga前后形成月球的大碰撞導致的巖漿海事件有關。

圖1 華北克拉通冀東地區曹莊鉻云母石英巖、3.1 Ga 斜長角閃巖、3.1Ga和2.5 Ga TTG/花崗巖等普遍具有正μ142Nd特征（Liou et al., 2024）

圖2 華北克拉通曹莊地區、北大西洋克拉通、Abitibi等地的幔源巖石可能起源于相同的冥古宙（ca. 4.4Ga）虧損地幔源區 （Liou et al., 2024）

此外，冀東地區3.1 Ga, 2.9 Ga, 2.45 Ga的TTG/花崗巖、曹莊鉻云母石英巖等也都識別出正μ142Nd異常的特征（圖1），結合鋯石Lu-Hf同位素，以及此前鞍山地區142Nd同位素的相關研究 (Li et al., 2017) 和華北克拉通較多的古老鋯石記錄（圖3, Liou et al., 2023），研究人員提出冥古宙殼幔物質可能已經廣泛參與到華北克拉通的太古宙甚至古元古代的地殼生長和改造過程。

圖3 華北克拉通冀東地區曹莊剖面。某種程度上也可以說，曹莊可能記錄了44億年前月球形成時的那次大碰撞激蕩宇宙的壯麗余暉。插圖為中國境內的古老巖石和古老鋯石分布 (Liou et al., 2023)

本項工作的基本結論如下：（1）地幔虧損始于4.4 Ga，始于形成月球的大碰撞導致的巖漿海事件；（2）冥古宙虧損地幔可封閉保存至2.7 Ga，至少在17億年內不受或較小受到地幔對流均一化的影響；（3）冥古宙物質可能廣泛參與華北克拉通的太古宙-古元古代大陸地殼演化過程。

研究成果發表于國際學術期刊EPSL(劉鵬, Caro G,崔夏紅, 李潮峰, 彭澎, 郭敬輝, 翟明國. Long-term isolation of Hadean mantle domains revealed from coupled 147-146Sm-143-142Nd systematics in the eastern North China Craton [J].Earth and Planetary Science Letters, 2024, 638: 118761. DOI: 10.1016/j.epsl.2024.118761)。

編輯：劉強