冥古宙亏损地幔的命运 |刘鹏等-EPSL

地球形成最初的10亿年（冥古宙-始太古代时期）是地球45.6亿年漫长演化岁月里最为波澜壮阔的一个时期，它可能见证了地质历史上第一个大陆的形成，见证了威尔逊循环的开始，见证了生命的出现，奠定了此后地球所有生命演化和构造演化的基础。同时，这一时期也是地质历史上最为神秘莫测、最为扑朔迷离的一个时期。地球早期的高热流环境，强烈的陨石轰击，以及复杂的变质变形作用的叠加，使得这一时期的关键地质记录残缺不全。但毫无疑问，这十亿年硅酸盐地球的圈层分异过程极大影响了随后地壳、地幔、大气的成分演化和物质演化，塑造了人类现今赖以生存的唯一家园，而与此相关的一系列涉及地球早期地壳-地幔的演化规律、早期地幔-地壳的最终命运等问题也一直是现今地球科学领域争论不休的基础问题。

中国科学院地质与地球物理研究所刘鹏副研究员联合李潮峰研究员、彭澎研究员、郭敬辉研究员和翟明国研究员，以及法国洛林大学Guillaume Caro研究员和河北地质大学崔夏红助理研究员等对上述问题进行了探讨。考虑到早期锆石Lu-Hf等长周期放射性同位素并未记录可信的Lu-Hf同位素亏损的信号，有学者提出至少在38亿年以前地幔仍呈球粒陨石质特征，即地球早期不可能有亏损地幔和大陆地壳的存在。但基于Lu-Hf等长周期放射性同位素反演地幔演化过程，其中的一个重要假设是这些锆石所赋存的地壳具有短暂的居留年龄，即岩浆从地幔分离出来之后，其Lu-Hf同位素未经长期演化，就很快被锆石记录下来，但冥古宙-始太古代的镁铁质地壳常常可以在封闭体系下保存超过10亿年，因此这一假设并不成立 (Liou et al., 2022)。加之锆石所对应的源区常呈富集特征，Lu-Hf等长周期同位素体系往往并不能很好地揭示早期地幔和地壳的形成和演化规律 (Liou et al., 2022)。

Sm-Nd同位素体系中，146Sm的半衰期仅有1.03亿年，这意味着146Sm在地球形成最初的5亿年就基本衰变完毕，因而地球样品中任何关于142Nd的异常都只能与冥古宙时期Sm-Nd的分异有关，也因此146Sm-142Nd等短周期放射性同位素体系适用于限定早期地球和其他类地行星的地幔演化过程。近二十年来，随着同位素分析技术的长足进步，各古老地体的142Nd数据日渐增多，迄今学界共提出多种理论用以解释现今观测到的数据分布规律，揭示冥古宙地幔-地壳的最终命运，这些代表性理论分别为：（1）太古宙晚期均一化模式；（2）冥古宙地壳快速生长-快速循环模式；（3）冥古宙地幔长期封闭隔离模式。然而，以往所使用的数据中，中太古代明显缺失，严重依赖始太古代数据，而始太古代数据又强烈不均一。对这些大量的始太古代数据进行分析显示，其标准偏差（2S.D.）与标样数据的标准偏差高度正相关，且一些极高正异常的142Nd数据并未在随后的研究中得到复现，因此始太古代高度变化的142Nd值可能仅仅是测试分析所致，并不能可信地指示早期地幔的高度不均一性。针对明显缺失的中太古代数据，他们对华北克拉通冀东曹庄地区的3.1Ga斜长角闪岩进行了142Nd分析，更新后的全球数据并未表现出142Nd异常随时间逐渐减小的趋势。因此，相比于“太古宙晚期均一化”和“冥古宙地壳快速生长-快速循环”等模型所作的推测，142Nd和143Nd数据分布更可能指示：冥古宙亏损地幔可从4.4Ga一直封闭保存至2.7Ga，在此期间不受或较小受到地幔对流均一化的影响。

经典理论认为，亏损地幔与壳幔分异过程直接相关，是原始地幔部分熔融、熔体抽取形成地壳之后的残余。近些年有研究表明，深部岩浆海布里奇曼石等高压相矿物的分离结晶也是早期地幔亏损的可行机制。地球早期的特殊构造体制（如停滞盖层体制）、基底岩浆洋(basal magma ocean, BMO)的形成、下地幔富集布里奇曼石的高粘度古地幔结构（bridgmanite-enriched ancient mantle structures, BEAMS）等因素在理论上也可以解释冥古宙亏损地幔域长期封闭隔离免受地幔对流均一化的过程。

结合华北克拉通曹庄地区3.1Ga斜长角闪岩的143Nd成分，及其所具有的正μ142Nd异常特征，曹庄这类幔源岩石可能是4.4 Ga亏损地幔形成之后一直保存至3.1Ga部分熔融的产物（图1-图2）。考虑到华北克拉通曹庄地区，北大西洋克拉通Saglek、Isua地区，Abitibi Theo’s flow等地区的幔源岩石在μ142Nd和ε143Nd演化趋势图中均处在相同的演化线上，这可能指示它们可能起源于相同的冥古宙亏损地幔源区（图2）。由于多数古老幔源岩石由142Nd和143Nd联合限定的地幔亏损时间均在4.4 Ga前后，且部分岩石所对应的地幔源区Lu-Hf和Sm-Nd体系明显解耦，而下地幔布里奇曼石是目前已知的唯一可以造成Hf-Nd体系解耦的硅酸盐矿物，因此冥古宙亏损地幔的形成可能与4.4Ga前后形成月球的大碰撞导致的岩浆海事件有关。

图1 华北克拉通冀东地区曹庄铬云母石英岩、3.1 Ga 斜长角闪岩、3.1Ga和2.5 Ga TTG/花岗岩等普遍具有正μ142Nd特征（Liou et al., 2024）

图2 华北克拉通曹庄地区、北大西洋克拉通、Abitibi等地的幔源岩石可能起源于相同的冥古宙（ca. 4.4Ga）亏损地幔源区 （Liou et al., 2024）

此外，冀东地区3.1 Ga, 2.9 Ga, 2.45 Ga的TTG/花岗岩、曹庄铬云母石英岩等也都识别出正μ142Nd异常的特征（图1），结合锆石Lu-Hf同位素，以及此前鞍山地区142Nd同位素的相关研究 (Li et al., 2017) 和华北克拉通较多的古老锆石记录（图3, Liou et al., 2023），研究人员提出冥古宙壳幔物质可能已经广泛参与到华北克拉通的太古宙甚至古元古代的地壳生长和改造过程。

图3 华北克拉通冀东地区曹庄剖面。某种程度上也可以说，曹庄可能记录了44亿年前月球形成时的那次大碰撞激荡宇宙的壮丽余晖。插图为中国境内的古老岩石和古老锆石分布 (Liou et al., 2023)

本项工作的基本结论如下：（1）地幔亏损始于4.4 Ga，始于形成月球的大碰撞导致的岩浆海事件；（2）冥古宙亏损地幔可封闭保存至2.7 Ga，至少在17亿年内不受或较小受到地幔对流均一化的影响；（3）冥古宙物质可能广泛参与华北克拉通的太古宙-古元古代大陆地壳演化过程。

研究成果发表于国际学术期刊EPSL (刘鹏, Caro G,崔夏红, 李潮峰, 彭澎, 郭敬辉, 翟明国. 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)。