科学家通过研究火山岩稀有气体同位素变化揭示地幔演化过程

2022年7月14日，《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）刊发题为《来自稀有气体同位素的干燥、古老的地幔柱》（A dry ancient plume mantle from noble gas isotopes）的文章。该文指出，最靠近地核、古老的深部地幔柱从一开始要比最靠近年轻行星表面的地幔部分干燥得多，即通过分析惰性气体同位素数据，发现与上地幔的水浓度相比，古老的深部地幔柱的水浓度要低4～250倍。

原始挥发物在地球吸积过程中会被输送至陆表地层中。与上地幔相比，深部地幔柱被认为保留了更大比例的原始挥发物。在测定地幔中He、Ne和Xe同位素数据后发现地幔柱在吸积末期与上地幔相比具有浓度较低的挥发物（如Xe和H2O）。而仅仅依据挥发物浓度较低的地幔不足以描述地幔柱中惰性气体的特征。因此，原始同位素比率被用以确定深部地幔柱和上地幔中来自太阳、球粒陨石和再聚集的气态挥发物的比例。研究发现：虽然再输送的Ne通量超过再输送的Xe通量，但是对地幔Ne平衡的影响很小。而将原始同位素与放射成因同位素进行系统配对，发现地幔柱中130Xe在吸积末期的绝对浓度约为1.5×107个原子130Xe/g，比古老上地幔确定的浓度低4倍。而在现今地幔的He-Ne-Xe记录中依旧保留着有限的、富含挥发性固态物质的吸积记录，因此，利用地幔柱中H2O浓度比上地幔低4~250倍的原始黏度差可以解释：①为什么引发整个地幔岩浆海洋发生巨大撞击时却没有使正在吸积的行星发生均质化；②为什么地幔柱经历了较少的部分熔融；③早期形成的非均质同位素如何在固态地幔对流中存活约45亿年。

研究人员指出，通过研究火山岩中稀有气体同位素变化（尤其是Xe），既能了解地幔的演变路径，也能借助其所揭示的地球表面的陆地岩石变化来了解大气演变过程。

转载本文请注明来源及作者：《地球科学动态监测快报》2022年第14期，王晓晨 编译。