中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院特任教授鄧正賓與多位國際學(xué)者合作，成功實(shí)現(xiàn)鈦穩(wěn)定同位素組成的超高精度測量方法，應(yīng)用刻畫地球形成早期到現(xiàn)代的地幔來源火成巖的鈦同位素記錄，揭示地球地幔的運(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流的模式只是地球演化近期的過渡狀態(tài)。7月26日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》。

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(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)的儲庫。但是，地震層析成像研究發(fā)現(xiàn)，俯沖板片可進(jìn)入下地幔，這意味著現(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庫應(yīng)難以在漫長地質(zhì)歷史中得到保留，與地球化學(xué)研究所得結(jié)論相對立。

鈦穩(wěn)定同位素是用來示蹤地殼-地幔物質(zhì)交換的良好工具。這主要是因?yàn)殁佔(zhàn)鳛橐粋€(gè)難熔元素，在變質(zhì)和水巖作用過程中不易發(fā)生遷移，因此通過鈦穩(wěn)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(zhì)交換記錄，為長期爭論的地幔內(nèi)部物質(zhì)交換問題帶來新的約束。

針對這一問題，鄧正賓同丹麥哥本哈根大學(xué)以及多個(gè)國際研究機(jī)構(gòu)的合作者，采用最新一代多接收等離子體質(zhì)譜儀，自主開發(fā)超高精度鈦穩(wěn)定同位素分析技術(shù)，改進(jìn)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至4倍，用來限定自然樣品中微小的分餾信號。

利用新分析方法，鄧正賓等人首先對24件球粒隕石樣品的鈦同位素進(jìn)行標(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，對比研究了全球不同地質(zhì)年代的地幔來源火成巖，發(fā)現(xiàn)以上差別主要形成于35億年到27億年之間，來源更深的現(xiàn)代洋島玄武巖具有更接近全硅酸鹽地球的組成特征。

結(jié)合已有大陸地殼生長模型，該變化很可能反映：太古代時(shí)期，地球上、下地幔的物質(zhì)交流處于受限的狀態(tài)；該格局在現(xiàn)代已被打破，現(xiàn)代洋島玄武巖的記錄反映了現(xiàn)代地球內(nèi)部原始地幔儲庫仍存在，但在逐步被瓦解。

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)模式并非一成不變：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流的格局只是地球演化近期的過渡狀態(tài)，不完全代表地球早期的動力學(xué)特征。

研究人員介紹，該工作彌合了地球化學(xué)和地球物理對地球內(nèi)部過程約束的矛盾。在此基礎(chǔ)上，亟需對地球地質(zhì)歷史中地幔物質(zhì)交換模式及其演化具體控制機(jī)制的開展更多研究，有助于更好認(rèn)識類地行星的地質(zhì)和宜居性演化。