中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院鄧正賓特任教授與多位國(guó)際學(xué)者合作，成功實(shí)現(xiàn)了鈦穩(wěn)定同位素組成的超高精度測(cè)量方法，應(yīng)用刻畫了地球形成早期到現(xiàn)代的地幔來(lái)源火成巖的鈦同位素記錄，揭示了地球地幔的運(yùn)轉(zhuǎn)模式是呈階段性演變的，現(xiàn)代板塊構(gòu)造體制下接近全地幔對(duì)流的模式只是地球演化近期的過(guò)渡狀態(tài)。相關(guān)研究成果以“Earth’s evolving geodynamic regime recorded by titanium isotopes”為題于北京時(shí)間7月26日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。

地球自外向內(nèi)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(xù)界面，將地幔分為上地幔和下地幔兩個(gè)圈層。在地球地質(zhì)歷史中，上、下地幔的物質(zhì)交換會(huì)影響元素在地殼和地幔中的分配，對(duì)于理解類地行星的動(dòng)力學(xué)和熱演化十分重要。地球化學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)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(zhì)的儲(chǔ)庫(kù)；但地震層析成像研究發(fā)現(xiàn)俯沖板片可進(jìn)入下地幔；意味著現(xiàn)今上、下地幔存在大量物質(zhì)交換，現(xiàn)有交換速率下地球早期形成的儲(chǔ)庫(kù)應(yīng)難以在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史中得到保留，與地球化學(xué)觀察所得結(jié)論相對(duì)立。在地殼熔融過(guò)程中，鈦穩(wěn)定同位素體系存在顯著分餾，是用來(lái)示蹤地殼-地幔的物質(zhì)交換的良好工具；鈦?zhàn)鳛橐粋€(gè)難熔元素在變質(zhì)和水巖作用過(guò)程中不易發(fā)生遷移，通過(guò)鈦穩(wěn)定同位素研究可以得到地球形成以來(lái)相對(duì)完整的地殼-地幔物質(zhì)交換記錄，為長(zhǎng)期爭(zhēng)論的地幔內(nèi)部物質(zhì)交換問(wèn)題帶來(lái)新的約束。

針對(duì)這一問(wèn)題，鄧正賓同丹麥哥本哈根大學(xué)以及多個(gè)國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的合作者，采用最新一代多接收等離子體質(zhì)譜儀開(kāi)發(fā)超高精度鈦穩(wěn)定同位素分析方法，改進(jìn)和優(yōu)化樣品處理流程和數(shù)據(jù)處理方法，將已有鈦穩(wěn)定同位素分析方法的分析精度提高了3-4倍，以用來(lái)限定自然樣品中微小的分餾信號(hào)。

利用新的分析方法，鄧正賓等人首先對(duì)24件球粒隕石樣品的鈦同位素進(jìn)行了標(biāo)定，確定全硅酸鹽地球的鈦穩(wěn)定同位素組成和現(xiàn)在的上地幔存在顯著差別。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比研究了全球從太古代到元古代（38億年-20億年以前）的地幔來(lái)源火成巖以及現(xiàn)代洋島玄武巖樣品。結(jié)果發(fā)現(xiàn)早太古代（38億年-35億年）的樣品和球粒隕石的鈦穩(wěn)定同位素組成一致；在35億年到27億年之間地球地幔來(lái)源火成巖樣品的同位素組成隨著時(shí)間逐漸變輕，直到與現(xiàn)代普通型大洋中脊玄武巖接近；而現(xiàn)代洋島玄武巖的鈦穩(wěn)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（圖1）。

圖1: 球粒隕石、古老地幔來(lái)演火成巖、現(xiàn)代大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的鈦穩(wěn)定同位素組成。

結(jié)合已有大陸地殼生長(zhǎng)模型，可推測(cè)目前地幔中的鈦穩(wěn)定同位素組成的變化很可能反映：地球太古代（38億年至27億年前）上、下地幔的物質(zhì)交流處于受限的狀態(tài)（見(jiàn)圖2，f=0.2）；而該格局在現(xiàn)代已被打破，體現(xiàn)在現(xiàn)代洋島玄武巖的鈦穩(wěn)定同位素組成存在較大范圍。對(duì)比其鍶同位素組成，現(xiàn)代洋島玄武巖的鈦穩(wěn)定同位素組成變化無(wú)法單純由沉積物或大陸地殼物質(zhì)的再循環(huán)導(dǎo)致，應(yīng)代表了部分原始地幔物質(zhì)的參與（圖3）；該結(jié)果反映了現(xiàn)代地球內(nèi)部原始地幔儲(chǔ)庫(kù)仍存在，但在逐步被瓦解。

圖2: 大陸地殼生長(zhǎng)模型和地球地幔來(lái)源火成巖的鈦穩(wěn)定同位素組成隨時(shí)間的演化。

圖3: 現(xiàn)代洋島玄武巖和大洋中脊玄武巖的鈦穩(wěn)定同位素和鍶同位素組成?？梢?jiàn)其鈦穩(wěn)定同位素組成的變化無(wú)法單純由沉積物或大陸地殼物質(zhì)的再循環(huán)導(dǎo)致。

該工作基于同位素分析技術(shù)方法的突破，綜合研究了地球地幔來(lái)源火成巖在地質(zhì)歷史中同位素記錄隨著時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)地球地幔的運(yùn)轉(zhuǎn)模式不是一成不變的；即現(xiàn)代深俯沖板片可以進(jìn)入下地幔以及接近全地幔對(duì)流的格局只是地球演化近期的過(guò)渡狀態(tài)，不完全代表地球早期的動(dòng)力學(xué)特征。該工作彌合了地球化學(xué)和地球物理對(duì)地球內(nèi)部過(guò)程約束的矛盾；在此基礎(chǔ)上，急需對(duì)地球地質(zhì)歷史中地幔物質(zhì)交換模式及其演化具體控制機(jī)制的開(kāi)展更多研究，才能更好認(rèn)識(shí)類地行星的地質(zhì)和宜居性演化。