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【前沿論壇】Hofmann: 虧損地幔的尺度與組成的新視角
2020-01-13 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  報告人:Albrecht W. Hofmann | 整理:林音錚、劉 通(巖石圈室) 

  

摘 要在經歷大撞擊引發的巖漿海事件之后,地球開始分異形成不同的圈層。地核首先分離,剩余的硅酸巖地球再進一步分異出地幔和地殼。原始地幔繼而發生熔融,熔體抽取形成陸殼后,殘留下來的地幔就被稱為虧損地幔。原始地幔在多大程度上參與了陸殼的形成,即虧損地幔在整個地幔中的所占比例,仍然是尚未解決的重要問題。虧損地幔的規模和組成對于理解地球分異、殼幔演化等科學問題非常關鍵。前人已通過大量的研究通過不同手段來估算虧損地幔的占比,但結果仍存在爭議。920日下午,著名地球化學家Albrecht W. Hofmann教授應邀來我所進行學術訪問,并作了題為 “A New Look at Size and Composition of the Depleted Mantle” 的學術前沿報告。在報告中,Hofmann對虧損地幔的尺度及組成進行了重新評估,認為虧損地幔在整個地幔中的占比遠大于原來的認識,其組成則不如原來所認為的那么虧損,并推測存在一個隱藏的消失的早期富集地幔端元。 

  
一、問題的提出 

  1. 虧損地幔的現有認識 

  從地球化學角度而言,硅酸巖地球大致由原始地幔、虧損地幔和陸殼三個儲庫組成(圖1),其中虧損地幔是原始地幔發生熔體抽取形成陸殼后的殘留。Jacobsen and Wasserburg1979)利用現今陸殼的Nd同位素組成和虧損的Nd同位素組成(由MORBNd同位素代表)進行估算,結果顯示大約有30%的原始地幔參與了陸殼的形成,表明虧損地幔占全地幔的30%。Davies1981)則根據質量守恒原理,建立公式(1-公式(3),其中x為各端元的質量分數,Ci為各元素的含量,ε為同位素組成,利用εNd值進行計算可以得到各端元占全地幔的比例以及其中所有微量元素的含量。結果顯示虧損地幔占全地幔的比例不超過30%。 

 

1  硅酸鹽地球理想模型(Korenaga, 2008 

  不同學者(Salters and Stracke, 2004; Workman and Hart, 2005)的估算結果都支持:相對于原始地幔而言,虧損地幔強烈虧損包括Th、U在內的不相容元素(圖2)。 

2 虧損地幔的微量元素相對原始地幔標準化圖(自Hofmann教授報告PPT 

  2. 問題的提出 

  根據前人所估算虧損地幔的大小,其大致對應660 km不連續帶之上軟流圈地幔,代表了大洋中脊玄武巖(MORB)的源區。根據這一模型,660 km不連續帶之下的下地幔沒有發生熔融虧損,也沒有參與到陸殼的形成,因此上地幔和下地幔是分層對流的。但眾多的地球物理觀測結果顯示俯沖板塊明顯穿透地幔過渡帶進入下地幔,從而不支持地幔分層對流(Grand et al., 1997;French and Romanowicz, 2015)。另一方面,前人利用陸殼的Nd同位素來推測虧損地幔的大小值得商榷。這一方法最主要的問題是忽略了洋殼抽取對于陸殼Nd同位素的影響,因為洋殼抽取會改變虧損地幔的Sm/Nd比值。將MORBεNd值對Sm/Nd比值作圖,可以得到一定的弱相關性,而這種相關性與陸殼的Nd同位素組成之間并無關聯(圖3)。因此,虧損地幔Sm/Nd比值的變化不僅由陸殼的分離造成,還受到洋殼分離的影響。洋殼形成是地球上最主要的巖漿過程,其規模遠大于陸殼,因此僅借助大陸地殼進行簡單的Nd同位素模擬計算并由此推算虧損地幔的尺度無疑是片面的。這樣的問題在Pb同位素中同樣存在,因此放射性同位素可能并不是探討陸殼從地幔中分離的有效參數,需要尋找新的示蹤手段。 

3  MORBεNd-Sm/Nd比值圖(自Hofmann教授報告PPT     

  二、重新評估虧損地幔 

  1. 新視角——孿生元素對比值 

  由于放射性同位素在陸殼和洋殼分離過程中均會發生變化,因此很難用來有效地區分陸殼和洋殼的形成過程。但是有些微量元素在地幔熔融過程中具有非常接近的配分系數,它們的比值在洋殼形成過程中并不發生明顯的分餾,而在陸殼形成過程中發生明顯的分餾。這樣具有非常相似配分系數的微量元素包括NbTa、CePb、NbU等,它們的比值(Nb/Ta、Ce/Pb、Nb/U等)也被稱為孿生元素對比值(canonical ratio;圖4)。因此,虧損地幔這些孿生元素對的比值等同于大洋中脊玄武巖和洋島玄武巖的比值。 

4  MORB玻璃微量元素對比值-La/Yb圖(數據來自Jenner and O’Neill, 2012     

  根據硅酸鹽地球中三個儲庫之間的質量守恒關系(公式(3)),利用孿生元素對Nb/Ta比值代替Nd同位素比值可以更好地估算虧損地幔的大小。以Nb/U比值為例,得到公式(4)-公式(5),式中c、pd分別代表大陸地殼、原始地幔及虧損地幔三個硅酸鹽地球端元。結果顯示虧損地幔在全地幔中所占比例約在60%-80%,遠高于原來認為的30%。

  2. 消失的地幔端元? 

  從上面的結果可以看出,利用孿生元素對比值和Nd同位素獲得的虧損地幔大小差異非常大,那么這兩者的差別是否能夠調和?值得注意的是,Nd同位素估算只考慮了MORBNd同位素組成,而孿生元素對比值則考慮了具有相同比值的MORBOIB。MORBOIBεNd分別大概在8.55左右,因此MORBOIB地幔源區的平均εNd應該在5-8之間。根據MORBOIBNd同位素共同計算的虧損地幔也僅占全部地幔的30%-40%,仍然低于利用孿生元素對比值所獲得的結果,兩者的差異表明地球內部存在一個εNd≤3的虧損地幔(圖5)。 

5 大陸地殼和虧損地幔的εNd值及虧損地幔比例的對應關系(自Hofmann教授報告PPT 

  根據146Sm-142Nd同位素體系的研究,在地球形成后非常短的時期,地幔經歷了一次分異事件,分別形成早期富集端元(EER, early enriched reservoir)和早期虧損地幔(EDR,early depleted reservoir)。早期虧損地幔演化到現在的εNd值為3-4,符合孿生元素對比值所需的隱藏地幔儲庫。在演化模型(圖6)中可以看到,EER端元有比較低的εNd值并且會隨演化不斷減小,EDRεNd則會不斷上升,從EDR儲庫中分離出陸殼后,殘余地幔的εNd值會上升更多。簡單的模擬結果顯示,球粒隕石質地幔發生10%-12%的部分熔融,形成的熔體抽取大約2%-3%EER),就會形成類似于現今地幔(εNd=3.5)的EDR。 

6 可能的四端元硅酸鹽地球演化模型(自Hofmann教授報告PPT 

  那么如果這樣一個早期的富集地幔端元真的存在,它應該以何種方式儲存,又為何從未被檢測到?Hofmann認為它可能來自于早期富集基性地殼的深俯沖,并埋藏在地幔底部的LLSVPs(巨大低剪切波速度區,large low shear velocity mantle provinces);另一種可能是這個富集儲庫在早期經歷來自地外物質的激烈撞擊,從而濺出地外并消失了,但這些都仍缺乏觀測的證據。 

  如果這樣一個隱藏的地幔儲庫確實存在,硅酸鹽地球應該包括4個儲庫,即(1)早期的富集儲庫(消失或埋藏);(2)早期的虧損儲庫,以及由早期虧損儲庫分異得到的(3)大陸地殼和(4)殘余地幔(對應原來三儲庫模型中的虧損地幔端元)。 

  3. 虧損地幔的尺度和組成 

  Hofmann認為SaltersWorkman的模型將上部地幔分離出來,認為它長時間內處于非常虧損的狀態,是默認了地幔的分層對流。地震學的結果顯示上下地幔不斷地發生著物質交換和成分變化,因此不會存在獨立的虧損上地幔端元。根據孿生元素對比值進行重新估算,得到虧損地幔中不相容元素相對于原始地幔的虧損程度比原來認識的要小得多(圖7)。 

  利用洋殼巖石Nb/U比值對EDR進行和之前一樣的質量守恒計算,甚至可以得到80-100%的虧損地幔比例!這個結果和Nd同位素,也和Nb,Ta,Pb微量元素相符,即使考慮Nb/U比值一定的不確定性,仍然能夠得到相似的結果(圖8),說明虧損地幔在地幔中的占比非常高,幾乎是整個地幔。 

7 不同模型計算得到的虧損地幔微量元素含量(自Hofmann教授報告PPT 

8 考慮洋殼巖石Nb/U比值不確定性計算的虧損地幔比例(自Hofmann教授報告PPT

  主要參考文獻 

  Davies G F. Earth's neodymium budget and structure and evolution of the mantle[J]. Nature, 1981, 290(5803): 208.鏈接 

  French S W, Romanowicz B. Broad plumes rooted at the base of the Earth's mantle beneath major hotspots[J]. Nature, 2015, 525(7567): 95.鏈接 

  Grand S P, van der Hilst R D, Widiyantoro S. High resolution global tomography: a snapshot of convection in the Earth[J]. Geological Society of America Today, 1997, 7(4). 鏈接 

  Jacobsen S B, Wasserburg G J. The mean age of mantle and crustal reservoirs[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1979, 84(B13): 7411-7427.鏈接 

  Jenner F E, O'Neill H S C. Analysis of 60 elements in 616 ocean floor basaltic glasses[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2012, 13(2).鏈接 

  Korenaga J. Urey ratio and the structure and evolution of Earth's mantle[J]. Reviews of Geophysics, 2008, 46(2).鏈接 

  Salters V J M, Stracke A. Composition of the depleted mantle[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2004, 5(5).鏈接 

  Workman R K, Hart S R. Major and trace element composition of the depleted MORB mantle (DMM)[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2005, 231(1-2): 53-72.鏈接 

 
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