PNAS：W同位素制约地球早期地幔对流模式
PNAS：W同位素制约地球早期地幔对流模式
冥古宙和太古宙的地球具有与现代板块构造完全不同的构造体制。地球早期构造样式研究是近年来固体地球科学领域的前沿热点之一。早期地幔性质及其对流模式是揭示地球早期构造样式关键。最近发表的关于太古宙岩石样品的W同位素研究表明太古宙地幔主要以局部的、相对独立的小规模对流为主（Mei et al., 2020; Tusch et al., 2021），冥古宙形成的早期地幔不均一因此得以在该地幔对流模式下保存下来。
短寿命放射性衰变体系（如：182Hf-182W、146Sm-142Nd和129I-129Xe体系）受后期地质作用影响较小，常用于制约地球早期的地质过程和演化历史。冥古宙和始太古代地球样品具有正的μ182W值；而自古太古代起（距今36亿年之后），地球样品（岩性以英云闪长岩-奥长花岗岩-花岗闪长岩和科马提质岩石为主）中出现μ182W正值、负值和零值共存的局面；而现今地幔则被认为具有相对均一的W同位素组成，μ182W值为零（Mei et al., 2020）。因此，地幔的W同位素经历了一个均一化的过程。研究不同时代岩石样品的W同位素组成能够揭示地幔的均一化程度和过程，从而反映不同时期地幔物质混合的效率，制约地幔对流模式。澳大利亚Pilbara克拉通具有形成年龄为35亿年到27亿年不等的岩石，是开展此项研究的良好天然实验室。
近期，德国科隆大学Tusch及其合作者在PNAS上发表了他们关于Pilbara克拉通太古宙岩石W同位素组成的研究（Tusch et al., 2021）。结果见图1。根据样品的W/Th比值可以判断样品是否遭受过后期流体作用改造。Pilbara克拉通Warrawoona群未受后期作用影响的幔源岩石样品μ182W值为+12.6 ± 1.4（95%置信区间，图1红色区域水平部分），Warrawoona群受后期流体作用影响的幔源岩石样品（流体改造作用引起样品W再富集）具有较低的μ182W值，为+8.1 ± 1.4（95%置信区间，图1灰色区域），更年轻的幔源岩石样品（3.35 Ga、3.18 Ga和3.1 Ga）则具有更低的μ182W值（图1红色区域下降部分）。Pilbara克拉通岩石圈来源岩石样品的μ182W值为+8.3 ± 1.0（95%置信区间，图1蓝色区域）。
图1 Pilbara克拉通太古宙岩石样品高精度μ182W分析结果。误差棒为95%置信区间（Tusch et al., 2021）
对于地球古老样品中存在的μ182W正异常通常有两种解释。第一种解释与后增薄层模型（LateVeneer）有关。后增薄层假说认为在地球核幔分异结束后，约有0.5%~1%地球质量的陨石物质加入到地幔成为地幔强亲铁元素的主要来源。这些加入的地外物质平均成分相当于球粒陨石，μ182W值约为-190（Kleine et al., 2004），远低于地幔值。现今地幔可被视为后增薄层物质添加前的地幔与后增薄层物质完全混合的结果，因此如果地幔并未与后增薄层物质完全混合，则其相对于现今地幔具有μ182W正异常且亏损强亲铁元素（Willbold et al., 2011; Willbold et al., 2015）。第二种解释则与早期地幔分异过程有关。在灭绝核素182Hf衰变完全之前（太阳系形成后的前90 Ma内）发生的地幔分异事件产生的高Hf/W比值源区经182Hf衰变形成具有μ182W正异常的源区。值得注意的是该分异事件也会造成Sm-Nd分馏，灭绝核素146Sm的衰变使得具有μ182W正异常的源区同时具有μ142Nd正异常（Touboul et al., 2012；Rizo et al., 2016）。
Pilbara克拉通最古老的幔源岩石与其它克拉通古老岩石一样具有μ182W正异常（图2）。未受后期作用影响的具有μ182W正异常的样品相对于现代地幔亏损强亲铁元素，且样品不具有142Nd异常。因此，Pilbara克拉通太古宙岩石样品中的μ182W正异常源于早期地幔与后增薄层物质的不完全混合，冥古宙形成的地幔储库在早期地幔对流中被保存了至少10亿年。因此，文章认为太古宙地幔物质混合效率低下，地幔对流规模较小，对流环相对独立，偶尔发生局部地幔在垂向上的均一化。Pilbara克拉通3.3 Ga到3.1 Ga样品μ182W值降低表明太古宙地球存在一个由停滞盖（stagnant lid）构造体制向板块构造体制转换的过渡期。文章还强调该认识与前人基于太古宙岩石W同位素组成变化得出的地球在3.6-2.7Ga时经历了由地幔柱构造体制向板块构造体制转换的结论是一致的（Mei et al., 2020）。
图2 地幔W同位素演化（图中数据点仅包含幔源岩石）（Tusch et al., 2021）
主要参考文献
Kleine T, Mezger K, Münker C, et al. Hf-W isotope systematics of chondrites, eucrites, and martian meteorites: Chronology of core formation andearly mantle differentiation in Vesta and Mars[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2004, 68(13): 2935–2946.
Mei Q F, Yang J H, Wang Y F, et al. Tungsten isotopic constraints on homogenization of the Archean silicate Earth: Implications for the transition of tectonic regimes[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2020, 278: 51–64.（见亮点报道《太古宙硅酸盐地球均一化的W同位素证据及对地球构造体制转换的制约》）
Rizo H, Walker R J, Carlson R W, et al. Early Earth differentiationinvestigated through 142Nd, 182W, and highly siderophile element abundances in samples from Isua, Greenland[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2016, 175: 319–336.
Touboul M, Puchtel I S and Walker R J. 182W evidence for long-term preservation of early mantle differentiation products[J]. Science, 2012, 335: 1065–1069.
Tusch J, Münker C, Hasenstab E, et al. Convective isolation of Hadean mantle reservoirs through Archean time[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021, 118(2): e2012626118.
Willbold M, Elliott T and Moorbath S. The tungsten isotopic composition of the Earth’s mantle before the terminal bombardment[J]. Nature, 2011, 477: 191–195.
Willbold M, Mojzsis S J, Chen H W, et al. Tungsten isotope composition of the Acasta Gneiss Complex[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2015, 419: 168–177.
（撰稿：梅清风，王浩/岩石圈室）
