徐勇，刘金高等：早期地球轻Ni同位素组成和不完整的HSE增生【Science Advances，2023】

发布时间：2023-12-19     作者：    阅读：369次

 “遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”早在两千三百多年以前，中国伟大的浪漫主义诗人屈原就抒发了对宇宙起源和地球早期历史的悠悠“天问”。迄今为止，早期地球如何从岩浆洋的状态演变成为唯一已知的宜居星球仍是人类长期思考、探索的重大科学问题。利用亲铁元素及其同位素体系对早期地球样品进行探查有望为认识宜居星球演化中的关键事件（例如，核-幔分异、晚期增生、板块运动的启动）提供线索。这是由于在核-幔分异的过程中，几乎全部的强亲铁元素（HSE，包括Os, Ir, Ru, Rh, Pt, Pd, Re, Au）和部分含量的中度亲铁元素（MSE，如Mo, Cr, Ni等）会被分配到金属地核中，现今地幔中的HSE和少量MSE（例如，~20%的Ni）丰度则与陨石物质的晚期增生有关。而且，HSE内含长半衰期的Pt-Re-Os放射性同位素体系可以限定相关古老地质事件的时间；相对难熔的Ni（T_c50% = 1363 K）则区别于其他变价MSE，在挥发和岩浆演化中没有价态变化 (Ni²⁺)，因而Ni的稳定同位素体系在硅酸盐地幔部分熔融和分离结晶过程中分馏有限，可以记录源区的原始信息。前人已经查明现今硅酸盐地球的Ni同位素组成（δ⁶⁰Ni=0.11±0.01‰，95% CI）要明显轻于平均球粒陨石（δ⁶⁰Ni=0.23±0.02‰，95% CI）（图1），但是对其成因到底是核-幔分异所引起的同位素分馏还是晚期增生所带来的轻Ni同位素加入，学界尚有分歧。获取并比较晚期增生前后地幔的Ni同位素组成差异，是帮助解决这一分歧以及进一步认识早期地球演化的有效途径。

 图1 西南格陵兰Narssaq超镁铁质岩（NUB）和不同储库的Ni同位素组成

 针对上述科学问题，我校地球科学与资源学院求真博士后徐勇、我院刘金高教授和朱建明教授开展团队合作，联合丹麦和加拿大的科学家，对采自西南格陵兰始太古代的Narssaq超镁铁质岩（NUB；图2）开展了详细的HSE、Re-Os放射性同位素和Ni的稳定同位素分析，取得了如下创新性认识：

 图2 西南格陵兰地质简图（红心实圈所示为Narssaq超镁铁质岩体-NUB）

（1）区别于元古宙和显生宙地幔，西南格陵兰NUB地幔源区具有贫HSE的特征，含有0.9–2.0 ppb Os（图3）, 0.6–1.6 ppb Ir及2.0–4.0 ppb Pt, 仅占接收了完整晚期增生的现今原始上地幔（PUM）HSE丰度的~36±8%；Re-Os模式年龄T_RD峰值为~3.8 Ga（图4）, 不仅在误差范围内和穿插TTG岩脉锆石U-Pb 年龄 (3.65 Ga)一致，也和橄榄岩全岩Lu-Hf等时线年龄(3.93±0.15 Ga）吻合，结合HSE证据可说明38亿年之前晚期增生物质尚未与地幔完全混匀；

图3 NUB橄榄岩地幔源区HSE含量估算（以Os为例）

 图4 NUB橄榄岩Re亏损Os模式年龄（T_RD）概率密度估计

（2）新鲜NUB橄榄岩的Ni同位素体系未被风化/低温蚀变以及角闪石变质作用等次生过程所改造（图5），其相对均一的Ni同位素组成（δ⁶⁰Ni=0.16±0.01‰，95% CI）与矿物（橄榄石、尖晶石、角闪石、绿泥石）丰度、岩浆演化的指标（图6）无关，说明源区部分熔融、橄榄石为主的堆晶过程对全岩Ni同位素组成的整体影响较小；并且区别于受到硫化物不混溶作用/交代影响的岩浆体系，NUB橄榄岩的Ni同位素组成也与强烈亲硫的HSE指标（绝对与相对丰度）无关（图6），表明硫化物影响有限；

 图5 Ni同位素对蚀变指标和橄榄石丰度作图

 图6 Ni同位素对地幔部分熔融、岩浆分异的亲石和亲铁、亲硫指标作图

（3）38亿年以前的早期NUB地幔已经表现出了介于球粒陨石质原始地球（δ⁶⁰Ni=0.23‰）和现今地幔（δ⁶⁰Ni=0.11‰）之间的Ni同位素组成（δ⁶⁰Ni=0.16‰；图1，图7），可以作为核-幔分异向完整晚期增生过渡的一个重要见证。但是，结合源区仅36±8%的HSE增生以及前人报道的慢中子捕获过程的Ru核素正异常（+22 ppm；Fischer-G？dde et al., 2020, Nature），表明此时增生物质在地幔中未被完全混匀；

 图7 超镁铁质岩石Ni同位素组成随时间变化趋势

（4）地幔多阶段的Ni同位素演化趋势（图7），类似于HSE、¹⁸²W、¹⁴²Nd及δ⁴⁹Ti随时间而表现的变化，说明地球的化学演化自中晚太古代以来很大程度上被板块运动所调节而混合均匀。现今硅酸盐地球所表现的轻Ni同位素特征是核-幔分异、晚期增生、大规模的地幔对流等多种早期过程共同作用的结果。

本项工作受到国家重点研发计划（2020YFA0714800, 2022YFF0801004 and 2019YFA0708400）、国家自然科学基金重点项目（42121002）、丹麦嘉士伯基金（CF18-0090）及中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室科技部专项基金(GPMR202310)的联合资助，成果发表在国际综合学术期刊《Science Advances》上，徐勇博士为第一作者，刘金高教授为通讯作者，合作者包括本校朱建明教授、吴广亮博士、研究生张杰、秦滨和孙瑶，以及丹麦哥本哈根大学Kristoffer Szilas教授、Lingyu Zhang博士，加拿大阿尔伯塔大学Graham Pearson院士。

文章信息如下：

Xu, Y., Szilas, K., Zhang, L., Zhu, J.-M., Wu, G., Zhang, J., Qin, B., Sun, Y., Pearson, D.G., Liu, J*.  Ni isotopes provide a glimpse of Earth's pre-late-veneer mantle. Science Advances, 2023, 9(50), eadj2170. (IF=13.6)

全文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adj2170