27亿年前玄武质熔岩流中放射成因182W和142Nd异常指示早期地幔不均一性的长期保存

《Geochimica et Cosmochimica Acta》：Radiogenic 182W and 142Nd anomalies in a 2.7?Ga old basaltic lava flow indicate long-term preservation of early mantle heterogeneities

　　

了解早期地幔不均一性的起源与保存对于重建地球增生及早期分异历史至关重要。这可以通过短寿命的146Sm–142Nd和182Hf–182W同位素体系进行研究，这些体系通过地球上最古老岩石中的142Nd和182W异常揭示了大规模分异过程。在本研究中，研究人员提出了针对Theo’s Flow（Kidd-Munro Assemblage）的182W数据，以及Theo’s Flow和时空紧密相关的Pyke Hill科马提岩（均来自加拿大安大略省Abitibi绿岩带的约27亿年Kidd-Munro组合）的147Sm–143Nd、176Lu–176Hf和187Re–187Os同位素数据及微量元素（包括高度亲铁元素，Highly Siderophile Elements, HSE）浓度。Theo’s Flow样品的平均μ182W值为+6.7 ± 2.7，结合先前报道的+6.8 ± 2.5的正μ142Nd异常，表明地球早期岩浆分异形成的地幔域（Mantle Domain）实现了长期保存。若假设总体硅酸盐地球（Bulk Silicate Earth, BSE）以超球粒陨石Sm/Nd比值演化，则两种元素的异常可通过约45.4亿年前的单次硅酸盐分异事件解释。或者，若BSE以球粒陨石Sm/Nd比值演化，则获得的模型分异年龄为约44.5亿年。在此情况下，由于182Hf在当时已绝灭，182W异常必须由其他过程产生，例如源自具有晚期增生物质亏损的地幔源区。无论早期硅酸盐分异的时间如何，27亿年前岩石中182W和142Nd异常的保存都强调了早期形成的地幔域在地球形成后近18亿年的幸存。将Theo’s Flow的同位素和化学数据与Pyke Hill和Boston Creek科马提岩（据称均源自单一地幔柱熔融）进行比较，为地幔柱尺度上早期地幔不均一性的保存提供了证据。

研究背景与意义

地球早期化学演化以大规模硅酸盐分异和成分独特的地幔域形成为特征。这些早期过程的痕迹保存在太古宙镁铁质-超镁铁质岩石中，主要通过放射成因同位素异常来揭示，尤其是与短寿命的¹⁸²Hf–¹⁸²W和¹⁴⁶Sm–¹⁴²Nd体系相关的异常。这两个体系分别仅在太阳系历史的约6000万年（¹⁴⁶Sm半衰期）和约890万年（¹⁸²Hf半衰期）内活跃，因此相对于现今总体硅酸盐地球（BSE）组成的¹⁸²W和¹⁴²Nd异常，为地球形成后不久发生的分异事件以及随后产生的地幔不均一性的保存提供了直接证据。然而，区分塑造早期地幔组成的过程（如岩浆洋结晶、地核形成和晚期增生）常常受到数据限制，因为这些短寿命同位素体系很少在同一套样品上进行测量。特别是针对新太古代样品——形成于许多早期异常已衰减的时期——仅有少数地区有相关数据。本研究旨在通过整合同一地质背景下不同岩类的多种同位素体系，填补这一数据空白，约束早期地幔分异事件的性质、时间及保存规模。

研究内容与结论概要

研究人员选取了来自加拿大Abitibi绿岩带Kidd-Munro组合的约27亿年前的Theo’s Flow（一种厚层、分异的、具拉斑玄武质亲和性的镁铁质-超镁铁质熔岩流）和时空紧密伴生的Pyke Hill科马提岩作为研究对象。通过获取Theo’s Flow的新¹⁸²W数据，并结合已有的¹⁴²Nd数据，以及两套岩石的长寿命放射成因同位素（¹⁴⁷Sm–¹⁴³Nd, ¹⁷⁶Lu–¹⁷⁶Hf, ¹⁸⁷Re–¹⁸⁷Os）和微量元素（包括高度亲铁元素HSE）数据，研究旨在表征其地幔源区特征，约束早期地幔分异事件的时限和性质，并通过与同区域Boston Creek科马提岩的对比，评估早期形成的地幔不均一性的保存尺度和持久性。研究结果表明，Theo’s Flow记录了显著的正μ¹⁸²W异常（+6.7 ± 2.7）和正μ¹⁴²Nd异常（+6.8 ± 2.5）。这些数据支持地幔源区经历了早期分异，且这些不均一性在地幔中保存了近18亿年。该论文发表于《Geochimica et Cosmochimica Acta》。

主要技术方法

研究人员采用了高精度多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）技术进行同位素分析。具体包括：使用标准加入溶液电感耦合等离子体质谱法（SA-ICP-MS）测定微量元素；采用阴离子交换色谱法纯化钨（W）和高精度测量μ¹⁸²W值；通过混合¹⁴⁹Sm–¹⁵⁰Nd示踪剂和阳离子交换及HDEHP反相分配色谱法分离纯化Sm和Nd，用于¹⁴⁷Sm–¹⁴³Nd分析；应用混合¹⁷⁶Lu–¹⁸⁰Hf示踪剂及离子交换色谱法测定¹⁷⁶Lu–¹⁷⁶Hf体系；利用Carius管溶样、CCl₄溶剂萃取微蒸馏技术结合负热电离质谱（N-TIMS）分析¹⁸⁷Re–¹⁸⁷Os同位素及HSE丰度。样本队列来源于加拿大安大略省Abitibi绿岩带Kidd-Munro组合中的Theo’s Flow（涵盖其五个岩性单元：hyaloclastite, aphanitic pyroxenite, gabbro, pyroxene cumulate, olivine cumulate）和Pyke Hill科马提岩（PH-I和PH-II两个分异熔岩流）。

研究结果

地质背景与先前研究

Munro镇位于加拿大地盾苏必利尔克拉通内约27亿年Abitibi绿岩带中。Kidd-Munro组合包含镁铁质-超镁铁质、中性及长英质火山岩。Theo’s Flow厚达120米，从顶部到底部依次为熔岩顶部角砾岩、隐晶质辉石岩、玄武岩、辉石堆晶岩和橄榄石堆晶岩层，属于富铁拉斑玄武质火山岩系。Pyke Hill科马提岩为薄层（2.7-2.9米厚）分异熔岩流，分为上部spinifex带和下部堆晶带。两者在空间和时间上紧密相关，被解释为源自同一地幔柱系统的动态或两阶段熔融产物。

主量、微量和W元素丰度

Theo’s Flow样品的MgO含量变化反映其分异特征，其轻稀土元素（LREE）配分模式平坦（La/Sm_N≈ 1），重稀土元素（HREE）亏损（Gd/Yb_N= 1.58），Al₂O₃/TiO₂比值低，属于Al-depleted型。W含量为21-73 ng/g，W/Th比值低于估算的BSE值。Pyke Hill科马提岩则显示LREE亏损（La/Sm_N= 0.54），球粒陨石标准化的Al₂O₃/TiO₂和Gd/Yb_N比值接近1，属于Al-undepleted型，W含量更低（3.9-14.9 ng/g）。两者稀土元素模式的差异反映了地幔柱头连续动态熔融过程中不同熔融阶段和不同熔融深度（Theo’s Flow源于石榴子石稳定域，Pyke Hill源于尖晶石二辉橄榄岩稳定域）的产物。

Sm-Nd和Lu-Hf同位素数据

所有样品的¹⁴⁷Sm–¹⁴³Nd数据构成一条等时线，对应年龄为2704 ± 14 Ma，初始ε¹⁴³Nd为+2.5 ± 0.5。同样，¹⁷⁶Lu–¹⁷⁶Hf等时线年龄为2725 ± 57 Ma，初始ε¹⁷⁶Hf为+5.5 ± 1.8。这些年龄与Kidd-Munro组合公认的喷发年龄（2714 ± 2 Ma）一致。Theo’s Flow和Pyke Hill样品的初始ε¹⁴³Nd和ε¹⁷⁶Hf值无显著差异，表明它们源自具有相同Nd和Hf同位素组成的共同地幔源区，支持其来自同一地幔柱的解释。

Re-Os同位素和HSE丰度

Pyke Hill科马提岩和Theo’s Flow的难熔堆晶样品（Ko20, Ko21）定义了Re-Os等时线，年龄为2727 ± 9 Ma，初始γ¹⁸⁷Os为+0.28 ± 0.09，与喷发年龄一致且处于球粒陨石范围内，表明它们具有共同的、均一的Os同位素组成的地幔源区。Theo’s Flow上部两个样品（Ko17, Ko18）因后期蚀变导致Re/Os升高而偏离等时线。Pyke Hill的HSE配分模式相对平坦，而Theo’s Flow的HSE配分更分异，反映了其岩浆演化过程中更显著的硫化物分异/滞留。

W同位素数据

Theo’s Flow不同层位样品显示出一致的、正的μ¹⁸²W值，平均为+6.7 ± 2.7，证实了岩石中存在显著的¹⁸²W异常。尽管全岩W/Th比值变化较大，暗示后期流体活动可能导致W在熔岩流内部发生再分配，但μ¹⁸²W信号在不同单元中保持一致，表明其代表了源区特征，且未受显著地壳混染影响。

讨论与结论翻译

Theo’s Flow记录了+6.7 ± 2.7的正μ¹⁸²W异常，并伴随先前研究中报道的+6.8 ± 2.5的正μ¹⁴²Nd异常。计算得出的耦合¹⁴²Nd–¹⁴³Nd模型年龄表明，假设BSE以球粒陨石Sm/Nd比值演化，则分异事件发生在约44.5 Ga；假设BSE以超球粒陨石Sm/Nd比值演化，则分异事件发生在约45.4 Ga。采用BSE超球粒陨石Sm/Nd比值将此次分异置于¹⁸²Hf寿命期内，意味着μ¹⁸²W异常可能源自产生高Hf/W地幔储库的早期硅酸盐分馏。假设Theo’s Flow的地幔柱源区相对于现代BSE亏损HSE，则Theo’s Flow的¹⁸²W过剩可主要归因于Munro地幔柱源区晚期增生物质的亏损，这可能对其¹⁸²W过剩有所贡献。与Boston Creek科马提岩（具有更大的μ¹⁸²W异常和更强的HSE亏损，但无μ¹⁴²Nd异常）的比较表明，这些异常可能源自不同的过程，并且这些异常的同化程度在单一地幔柱尺度上存在差异。研究结果强调了在同一套样品上使用多种同位素体系来解决早期地幔不均一性的起源、时间和保存的重要性，从而为早期地球演化提供了新的见解。