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中國科學技術大學地球和空間科學學院鄧正賓特任教授與多位國際學者合作，成功實現了鈦穩定同位素組成的超高精度測量方法，應用刻畫了地球形成早期到現代的地幔來源火成巖的鈦同位素記錄，揭示了地球地幔的運轉模式是呈階段性演變的，現代板塊構造體制下接近全地幔對流的模式只是地球演化近期的過渡狀態。相關研究成果日前在線發表在國際學術期刊《自然》雜志上。

地球自外向內主要分為地殼、地幔和地核，其中地幔在660公里處存在地震波速的不連續界面，將地幔分為上地幔和下地幔兩個圈層。在地球地質歷史中，上、下地幔的物質交換會影響元素在地殼和地幔中的分配，對于理解類地行星的動力學和熱演化十分重要。地球化學研究中發現現代深部地幔保留了地球形成早期的稀有氣體或短半衰期放射性核素的同位素記錄，意味著下地幔存在原始物質的儲庫，但地震層析成像研究發現俯沖板片可進入下地幔，意味著現今上、下地幔存在大量物質交換，現有交換速率下地球早期形成的儲庫應難以在漫長地質歷史中得到保留，與地球化學觀察所得結論相對立。

針對這一問題，鄧正賓同合作者采用最新一代多接收等離子體質譜儀開發超高精度鈦穩定同位素分析方法，改進和優化樣品處理流程和數據處理方法，將已有鈦穩定同位素分析方法的分析精度提高了3~4倍。“在地殼熔融過程中，鈦穩定同位素體系存在顯著分餾，是用來示蹤地殼-地幔的物質交換的良好工具，通過鈦穩定同位素研究可以得到地球形成以來相對完整的地殼-地幔物質交換記錄。”鄧正賓說。

利用新的分析方法，鄧正賓等人首先對24件球粒隕石樣品的鈦同位素進行了標定，確定全硅酸鹽地球的鈦穩定同位素組成和現在的上地幔存在顯著差別。在此基礎上，對比研究了全球從太古代到元古代（38億年到20億年以前）的地幔來源火成巖以及現代洋島玄武巖樣品。結果發現早太古代（38億年到35億年）的樣品和球粒隕石的鈦穩定同位素組成一致，在35億年到27億年之間地球地幔來源火成巖樣品的同位素組成隨著時間逐漸變輕，直到與現代普通型大洋中脊玄武巖接近，而現代洋島玄武巖的鈦穩定同位素組成與大洋中脊玄武巖存在差別，更接近全硅酸鹽地球的組成特征。

據悉，該工作基于同位素分析技術方法的突破，綜合研究了地球地幔來源火成巖在地質歷史中同位素記錄隨著時間的變化，發現地球地幔的運轉模式不是一成不變的，即現代深俯沖板片可以進入下地幔以及接近全地幔對流的格局只是地球演化近期的過渡狀態，不完全代表地球早期的動力學特征。該工作彌合了地球化學和地球物理對地球內部過程約束的矛盾，在此基礎上，急需對地球地質歷史中地幔物質交換模式及其演化具體控制機制開展更多研究，才能更好地認識類地行星的地質和宜居性演化。

（記者常河 通訊員王敏）

來源：光明日報

作者：常河

責任編輯：馮崢

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