陈立辉教授课题组发现地球核幔边界存在地表碳酸盐的化学“印记”(PNAS)

 地幔是地球的主要组成部分，地幔的对流是地球发育板块构造并欣欣向荣的根本原因。地幔熔融导致地球分异产生地壳，板块俯冲又把地壳物质带到地球深部并改变深部地幔的物质组成，从而维持地球内部-外部之间长期的物质和能量平衡，并最终影响地球表面的宜居环境。因此，探索“地球内部如何运行？”（《Science》公布的125个科学前沿问题中的第10个问题）成为当前地球科学的核心任务。其中，了解地幔的化学组成与演化以及深部地幔与地表的物质循环过程是了解地球内部如何运行的主要内容。人类无法对地球深部进行直接取样，但地幔柱可将核-幔边界的物质“输送”至浅部地幔并发生熔融形成玄武质岩浆。岩浆于海底喷发在大洋盆地内部生成一系列火山岛（图  1，南太平洋的Pitcairn火山岛），这些岛屿上的玄武岩被称为洋岛玄武岩（ocean island basalt, 简称OIB），成为我们了解地球深部的窗口。  

图1 位于南太平洋的Pitcairn岛 

最近，内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室陈立辉教授课题组与日本海洋研究开发机构(JAMSTEC)、德国马普化学所和中科院地质与地球物理研究所的研究人员合作，发现由起源于核幔边界的地幔柱熔融产生的  OIB中保留了古老地表碳酸盐的化学“印记”。该团队选择来自南太平洋Pitcairn火山岛（由起源于核幔边界的地幔柱在约0.95~0.45 Ma部分熔融产生，图  1）的OIB样品进行了高精度镁同位素分析和Sr-Nd-Pb-Hf放射成因同位素以及常规的主量、微量元素分析。研究发现Pitcairn洋岛经典的EM1型OIB样品的镁同位素组成比正常地幔明显偏轻，且是迄今为止在新鲜大洋玄武岩中发现的镁同位素组成最轻的样品。通过镁同位素与其他同位素之间的相关性识别出轻的镁同位素组成是玄武岩源区EM1组分的固有特征。玄武岩源区EM1组分比正常地幔偏轻的镁同位素组成，结合其极低的²⁰⁶ Pb/²⁰⁴ Pb比值和硫同位素非质量分馏特征，明确指示EM1起源于再循环的古老（约25~26亿年）含碳酸盐沉积物。这一研究结果表明曾经位于地球表层的沉积物可俯冲进入地球深部（核幔边界）长期保存，并最终被地幔柱携带至浅部地幔熔融贡献玄武岩浆的组成，实现地球深部与地球表层之间的物质循环（图  2）。 

图2 地球深部与地球表层之间的物质循环 

相关成果以“Recycled ancient ghost carbonate in the Pitcairn mantle plume”为题发表于国际一流综合性学术期刊《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)。王小均博士为论文第一作者，陈立辉教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（41372064, 41688103, 41672049）、高等学校学科创新引智计划（B13021）以及南京大学优秀博士研究生创新能力提升计划A项目的资助（201701A005）。  

论文链接：http://www.pnas.org/content/early/2018/08/07/1719570115。