地球早期地幔化学不均一性及其成因机制*

杨进辉 梅清风

地幔是硅酸盐地球的主要组成部分，其化学成分、结构等的研究是探索地球形成演化、揭示核幔分异、壳幔分异、初始大气圈与水圈形成等地球早期重大地质事件的基础。20世纪60年代以来，地幔在不同尺度上存在着元素和同位素不均一的现象逐渐被地球科学家所认知，这是地球化学领域最重要的发现之一，目前仍是固体地球科学领域的研究热点。地幔化学不均一性通常认为与岩石圈拆沉、洋壳俯冲所引起的物质再循环-地幔交代等过程相关(Zindler and Hart, 1986; Hofmann, 1997; Stracke, 2012; White, 2015)，但这些成因机制的解释均基于经典的板块构造理论。然而，地球早期被认为具有与现今板块构造完全不同的构造体制(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018)，在板块构造启动之前地幔是否不均一？地球早期地幔不均一如何形成？现今地幔不均一是否在地球早期就已经形成并存在了40多亿年？这些问题的研究是认知地球早期演化的关键。

近年来，随着地球化学分析技术的进步及人类对地球早期演化历史研究的深入，越来越多的研究证明地球早期地幔也存在不均一性，且形成于非板块构造体制背景之下(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018; Meietal., 2020; Puchteletal., 2022a)。为了探索地球早期地幔和大陆演化，本文在收集目前已有相关研究成果的基础上，结合近期我们在Hf-W同位素体系等方面的研究进展，系统地总结了地球早期地幔不均一的相关地球化学资料，探讨了地球早期地幔不均一性形成的可能动力学过程，进而提出地球早期地幔不均一性研究的未来发展方向。

长寿命放射性同位素体系(如87Rb-87Sr、147Sm-143Nd等)在现今地幔不均一性研究中起到至关重要的作用，但地球早期演化研究的对象多为古老地球样品，强烈的后期地质作用改造了样品中Rb-Sr、Sm-Nd等同位素体系，使得样品的Sr、Nd等同位素组成很难有效示踪样品形成时的地幔源区特征，也很难进行全球对比。短寿命放射性同位素体系(如129I-129Xe、146Sm-142Nd和182Hf-182W)则能很好地解决样品遭受后期改造的问题，它们的母体同位素仅存在于太阳系演化的早期，短寿命的放射性核素灭绝以后，封闭体系的子体同位素丰度将不再受后期岩浆和变质作用的影响，能够直接有效示踪早期地幔的性质和组成，正因为此，随着灭绝核素分析技术的进步，地球早期地幔不均一才逐渐被发现和证实。

2.1 Xe同位素

稀有气体同位素能够有效示踪地球挥发分来源、地幔去气过程、地幔对流模式以及地球内部与大气间挥发分交换(Mukhopadhyay and Parai, 2019)。MORB与OIB具有不同的稀有气体同位素组成，通常被认为是其地幔源区遭受不同程度去气的结果，MORB的地幔源区较浅，去气作用较强，而OIB的地幔源区较深，去气作用较弱，因此，稀有气体同位素也是地幔不均一性的地球化学证据之一(Staudacher and Allègre, 1982; Kurzetal., 1983, 2009; Allègreetal., 1987; Porcelli and Wasserburg, 1995; Graham, 2002; Gonnermann and Mukhopadhyay, 2009)。但与3He/4He等稀有气体同位素不同，Xe同位素(129Xe)是灭绝核素129I经过β-衰变形成，半衰期为15.7Myr；
另外一个同位素(136Xe)则是由灭绝核素244Pu经过自发裂变形成，半衰期为80Myr，或由238U自发裂变形成，但半衰期比244Pu长(Mukhopadhyay and Parai, 2019)。因此，129I-129Xe体系可以用于研究太阳系最初～100Myr内发生的事件。

图1 Iceland和Rochambeau的地幔柱起源样品以及MORB的129Xe/130Xe-3He/130Xe图解(据Pet et al., 2013修改；
误差线为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是由灭绝核素146Sm衰变而成，其半衰期为103Myr(Meissneretal., 1987; Fangetal., 2022)，能够揭示太阳系演化历史最初600Myr内发生的地质事件。Boyet and Carlson (2005, 2006)发现古老地球样品的142Nd/144Nd平均值明显高于球粒陨石(约20×10-6)，进而提出硅酸盐地球在太阳系形成后的30Myr内(146Sm-142Nd和147Sm-143Nd两个体系共同制约的结果，若分异晚于太阳系形成后的30Myr，将产生高于MORB的143Nd/144Nd值)发生了强烈分异，形成了具有低Sm/Nd的早期地幔富集库(early enriched reservoir, EER)或初始地壳，与之互补的地幔具有高于球粒陨石的Sm/Nd比值(在硅酸盐岩浆分异过程中，Nd的不相容性大于Sm)，随着146Sm的衰变，形成高于球粒陨石的142Nd/144Nd比值(Boyet and Carlson, 2005, 2006; O’Neill and Palme, 2008)。这一模型的前提条件是：早期形成的富集地幔或者再循环的初始地壳在地幔中一直保持封闭，独立于周围地幔，或者初始地壳在陨石的撞击侵蚀作用下离开地球，不再参与硅酸盐地球的后期混合。需要注意的是，Burkhardtetal. (2016)提出高于球粒陨石142Nd/144Nd值的地球样品是不同核合成过程形成的核素不均匀混合的结果，并不能反映地幔Sm/Nd比值高于球粒陨石，经过核合成异常校正后的地球样品和球粒陨石样品具有一致的142Nd/144Nd比值。

随着分析技术的进步，地球样品高精度142Nd同位素数据的增多，地幔μ142Nd值(样品相对实验室标样142Nd/144Nd比值的百万分偏差)随时间演化的规律逐渐清晰。统计已发表的太古宙幔源样品的μ142Nd值发现，太古宙幔源岩石具有较大变化范围的μ142Nd(从-20到+20)，且随着时间演化，逐渐趋同于现代地幔的平均值(μ142Nd=0)，即太古宙末之后的幔源样品μ142Nd值变化范围较小，这一现象不仅揭示了地球早期地幔142Nd同位素的不均一(图2)，也反映了不同地质历史时期在不同构造体制下的地幔混合效率(Meietal., 2020; Tuschetal., 2021)。

2.3 182W同位素

与146Sm-142Nd同位素体系类似，182Hf-182W体系也是短寿命放射性衰变体系。灭绝核素182Hf经过β-衰变形成182W，半衰期为8.90±0.09Myr(Vockenhuberetal., 2004)。Hf和W具有显著不同的地球化学特征，亲石元素Hf全部进入硅酸盐相，而W作为中度亲铁元素倾向进入到金属相，因此，182Hf-182W体系是限定行星金属核和硅酸盐分异时间的有力工具(Kleineetal., 2009; 梅清风和杨进辉, 2018)。行星金属相-硅酸盐相分异时，如果182Hf尚未灭绝，随着灭绝核素182Hf衰变形成182W，高Hf/W地幔中的182W同位素丰度(μ182W值约为0，μ182W为样品相对实验室标样NIST SRM 3163或Alfa Aesar W的182W/184W比值的百万分偏差)将高于几乎不含Hf的地核(μ182W值约为-220; Toubouletal., 2012)，也高于未经分异的球粒陨石(μ182W值约为-190; Kleineetal., 2009)。

近年来，随着分析技术的进步，μ182W的分析精度已优于±5(2SD)(Touboul and Walker, 2012; Meietal., 2018; Chuetal., 2020)，地球样品中微小的μ182W变化得以识别(图3)。统计已发表的W同位素数据，发现地球硅酸盐样品的W同位素组成具有如下几个特点：冥古宙和太古宙的地球硅酸盐样品多具有正的μ182W值(Willboldetal., 2011; Toubouletal., 2012; Meietal., 2020; Tuschetal., 2021; Puchteletal., 2022a, b)，仅南非Kaapvaal克拉通3.6～3.3Ga科马提岩和TTG岩石的μ182W值为负值到0(Puchteletal., 2016; Meietal., 2020; Tuschetal., 2022)；
年轻的洋岛玄武岩样品μ182W值的变化范围较大(约-23到0，Mundletal., 2017; Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019; Jacksonetal., 2020)。太古宙幔源岩石样品相对较大的W同位素组成变化范围揭示了地球早期地幔的不均一性，但3.5～3.2Ga之后，多数地球样品(除OIB外)均具有现代地幔平均值(μ182W=0)，这种随时间的W同位素变化规律可能反映不同地质历史时期地幔的混合效率，并与地球构造体制的转换紧密相关(Meietal., 2020; Tuschetal., 2021)。而年轻的洋岛玄武岩(OIB)所具有的负μ182W值则可能是地球早期硅酸盐地球分异或核幔相互作用的结果(Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019)。

图2 不同年龄幔源岩石样品的μ142Nd值(据Puchtel et al., 2022a修改)数据来源于Puchtel et al., 2022a及其参考文献；
误差线为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

图3 地球上不同时代幔源岩石样品的μ182W值数据引自Puchtel et al. (2022a)及其参考文献和Tusch et al. (2022)及参考文献. 误差线为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

在发现早期硅酸盐地球存在显著不均一的现象后，国内外学者从不同角度、不同元素-同位素体系(如铂族元素、Os、He、O等同位素体系)进一步识别验证了这一现象。如Byerlyetal. (2017)在研究南非巴布顿绿岩带科马提岩(约32.7亿年)中发现橄榄石的O同位素(δ18O=2.9‰～4.1‰)明显低于正常地幔值，区别于44亿年岩浆锆石(来自上地幔或者地壳的熔体)的接近现代地幔值的氧同位素组成(δ18O=5.5±0.5‰)，提出科马提岩源区O同位素不均一性形成于44亿年前的岩浆洋事件，低δ18O是深部岩浆海矿物从硅酸盐相向金属氧化物相转变过程中形成的。

地幔端元组分(如DMM、EM1、EM2和HIMU)的识别最初是基于大洋玄武岩的研究，代表了不同的地幔演化过程，通常认为是地壳物质通过俯冲、拆沉、交代地幔的产物(Hofmann and White, 1982; Zindler and Hart, 1986; Cabraletal., 2013; Castillo, 2015)，然而，这些深部动力学过程多与现代板块构造体制下有关(Stracke, 2012)。但地球早期的构造样式、板块构造是否存在仍存在着较大争议(Foleyetal., 2003)，地球早期地幔不均一可能形成于非板块构造体制背景下(Foleyetal., 2003; Van Kranendonk, 2010; Moore and Webb, 2013; Cawoodetal., 2018; Lenardic, 2018)，与早期地幔分异、后期增生物质的不均匀混合或核幔相互作用有关(图4)。

图4 早期地幔不均一性的三种成因机制(a)早期地幔分异(Caro et al., 2003; Mukhopadhyay, 2012; Touboul et al., 2012)；
(b)后期增生物质缓慢不均匀混合(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 早期地幔分异

3.2 后期增生物质的不均匀混合

地核形成之后，约有相当于地球质量0.5%的地外物质加入到地幔中，这一过程被称为后期增生(late accretion)(Walkeretal., 2015)。后期增生物质富集强亲铁元素(highly siderophile elements, HSE)，较好地解释地幔中强亲铁元素含量远高于根据高温高压实验所获得的各元素分配系数计算得到的理论丰度 (Kimuraetal., 1974; Ringwood and Kesson, 1977; Chou, 1978; Mitchell and Keays, 1981; Beckeretal., 2006)。近年来，后期增生物质的具体成分和来源(源于内太阳系还是外太阳系)引起了广泛的讨论(Wang and Becker, 2013; Bermingham and Walker, 2017; Fischer-Gödde and Kleine, 2017; Buddeetal., 2019; Fischer-Göddeetal., 2020; Mei and Yang, 2022)，但可以确定的是后期增生物质富含亲铁元素且具有极低的μ182W值。

在非板块构造体制下，硅酸盐地幔混合、均一化效率很低(O’Neill and Debaille, 2014)，后期增生物质与周围地幔难以充分混合，造成早期地幔化学不均一。古老地球样品的W同位素异常可能是冥古宙和太古宙地幔与后期增生物质不均匀混合的结果。后期增生物质的平均μ182W值约为-190，因此缺乏后期增生物质的地幔区域具有高的μ182W值，而富集后期增生物质的地幔区域则具有低的μ182W值(Willboldetal., 2011, 2015; Archeretal., 2019; Meietal., 2020; Nakanishietal., 2021)。但大量地球早期样品多具有正μ182W值(如：Isua、Acasta、中国鞍山和Pilbara样品)。值得注意的是，与地球早期相似成因的月球样品经过宇宙射线效应校正后的μ182W值为26±3，被认为代表后期增生之前的硅酸盐地球的W同位素组成(Kruijeretal., 2015; Toubouletal., 2015; Kruijer and Kleine, 2017)，因此，正μ182W的样品可能来源于未混入大量后期增生物质的地幔(Willboldetal., 2011, 2015; Daleetal., 2017; Archeretal., 2019)。

3.3 核幔相互作用

核幔分异后，地核与地幔之间的物质交换改变了地幔的化学成分，在核幔边界形成了带有地核“信号”的地幔，其随着地幔柱的上升到浅部地幔或地表形成硅酸盐地球的不均一(Walkeretal., 1995; Humayunetal., 2004)，亲铁元素含量、187Re-187Os和190Pt-186Os长寿命放射性衰变体系以及182Hf-182W短寿命放射性衰变体系是示踪核幔相互作用的有效手段(杨振等, 2022)。基于铁陨石的研究，Walkeretal. (1995)认为地球内核结晶过程中会造成Re-Pt-Os分异，它们的分配系数(固态金属相-液态金属相)关系为：DOs>DRe>DPt，Os倾向于进入固态内核，地球的液态外核因而具有高于球粒陨石的Pt/Os和Re/Os比值，随着190Pt和187Re分别衰变形成186Os和187Os，因此，外核具有高的186Os/188Os和187Os/188Os比值(Walkeretal., 1995)。这两个长寿命放射性衰变体系中，187Re的半衰期为～420亿年(Smoliaretal., 1996)，而190Pt的半衰期则长达～4890亿年(Cooketal., 2004; Brandon and Walker, 2005)。另外，190Pt的同位素丰度极低，因此只有古老或强烈的Pt-Os分异才能产生可分辨的186Os/188Os变化。目前在夏威夷苦橄岩、西伯利亚大火成岩省的Noril’sk矿石、Gorgona科马提岩和Kostomuksha科马提岩中发现了耦合的186Os-187Os同位素组成，样品的186Os/188Os和187Os/188Os比值高于同期的地幔值，这一特征指示形成这些样品的地幔柱源区具有地核物质的贡献(Walkeretal., 1995; Brandonetal., 1998, 1999, 2003; Puchteletal., 2005)。

如前文所述，地核和地幔的W同位素组成和W含量差异巨大，地核的μ182W值为-220且W含量远高于地幔，这使得W同位素成为研究核幔相互作用的有力工具。近年来，地幔柱相关岩石的W同位素研究也进一步证实核幔相互作用的存在，大量洋岛玄武岩样品具有μ182W负异常(约-23到0)，揭示了来自地核物质参与了洋岛玄武岩的形成(Mundl-Petermeieretal., 2019, 2020; Rizoetal., 2019; Jacksonetal., 2020)。然而，外核物质与地幔的物理混合模型受到了来自幔源岩石强亲铁元素研究的挑战。外核物质直接进入到地幔必然会造成核幔边界的HSE含量升高，而地幔柱成因岩石中并未观察到相应程度的强亲铁元素富集。为了解释这一矛盾，Puchtel and Humayun (2000)提出位于核幔边界的地幔物质可以通过同位素平衡的方式获得外核的Os同位素特征。类似地，负的μ182W特征也可以经过核幔同位素平衡作用的方式进入到地幔，并通过地幔柱作用进入到浅部地幔和地表(Rizoetal., 2019; Mundl-Petermeieretal., 2020)。此外，外核的W还可以通过Si-Mg-Fe氧化物出溶的方式进入到地幔，可解释地幔柱相关岩石中W同位素组成与HSE含量解耦的现象(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，并通过地幔柱作用扩展到浅部地幔形成早期地幔不均一(Puchtel and Humayun, 2000; Puchteletal., 2005)。

地球早期地幔不均一性的研究涉及到地球形成、地球增生过程、核幔分异、壳幔分异、岩浆洋演化与初始大陆地壳形成、地球早期水圈-大气圈形成、板块构造启动等重大地质事件，是揭示地球早期演化的基础。由不同来源核合成成分不均匀混合导致的金属元素的同位素异常(指无法用质量分馏、放射性衰变和宇宙射线辐射解释的陨石和地球样品同位素组成上的差异；
秦礼萍，2015)是陨石和地球早期样品的良好示踪剂，天体化学研究中已经发现的在陨石全岩尺度上存在同位素异常的体系，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)。但仅有部分同位素体系结合短寿命放射性衰变体系被运用于制约后期增生物质来源和早期地幔不均一的研究中，如Mo、Ru和W同位素(Buddeetal., 2019; Fischer-Göddeetal., 2020; Worsham and Kleine, 2021; Tuschetal., 2022; Mei and Yang, 2022)。因此，建立硅酸盐样品高精度同位素分析技术，利用多元同位素体系研究地球早期样品和地幔柱起源样品，能够揭示地球增生物质来源、早期核幔分异过程和早期地幔不均一的成因机制，进而打开地球早期演化研究的新局面。另外，核幔边界是长时间保存早期形成的地幔不均一的场所(Mundletal., 2017; Petersetal., 2018; Tuschetal., 2022)，利用地球物理和高温高压实验岩石学相结合的研究方法，探究核幔边界的结构、高温高压条件下金属相与硅酸盐相之间元素分配和同位素交换过程，有助于探索核幔相互作用的具体过程和机制，揭示早期地幔不均一得以长时间保存的原因，提升人类对地球早期地幔演化的认知。

谨以此文祝贺周新华老师八十华诞及从事科研六十载。周老师精益求精的科研、治学精神、对学生的精心培养令笔者终身受益。

致谢感谢黄方教授和另一位匿名评审专家对本文提出的宝贵修改意见；
感谢俞良军、汤艳杰、赵新苗博士的帮助和大力支持。