梅清风等-Geology：钨同位素记录早期地幔不均一性

　　地幔不同尺度上的化学不均一性是地球化学领域最重要的发现之一。近年来，国内外学者通过短寿命放射性衰变同位素体系（如：182Hf-182W、146Sm-142Nd和129I-129Xe体系）的研究发现部分地幔不均一性形成于地球早期，早期地幔不均一性的形成机制和均一化过程能够揭示地球分异过程和地幔演化历史。 

　　182Hf-182W体系是一种短寿命放射性衰变体系，半衰期仅为8.9百万年。自182Hf灭绝后不再产生放射性成因182W的积累，封闭体系中W同位素组成不再受后期地质过程影响，可以有效记录地球早期地质事件，如地球早期分异、后期增生过程等。同时，地幔和地核之间W同位素组成和W含量差异巨大，W同位素还是核幔相互作用的良好示踪剂。科马提岩和苦橄岩是探索深部地幔信息的岩石探针，不同地质历史时期形成的科马提岩和苦橄岩的W同位素组成有助于查明地幔W同位素组成变化规律、地球各圈层间物质分异、混合及交换过程，揭示地球早期地幔不均一性形成的主要动力学机制，提升对地幔演化的认识。 

　　基于此研究思想，中国科学院地质与地球物理研究所博士后梅清风与合作导师杨进辉研究员等率先在国内建立了硅酸盐样品的高精度W同位素分析技术（Mei et al., 2018, JAAS），在查明不同地质历史时期中酸性岩石样品W同位素组成变化规律并制约地球构造体制转换时间的基础上（Mei et al., 2020, GCA），系统分析了非洲南部Kaapvaal克拉通Barberton绿岩带科马提岩与玄武岩、芬兰Suomussalmi绿岩带科马提岩和中国峨眉山大火成岩省的苦橄岩样品的W同位素组成以及部分样品的Nd同位素组成（包括142Nd），发现南非Barberton绿岩带Kromberg组玄武岩样品具有负的μ182W值（–19.1 ± 4.3, 2SE），与现代洋岛玄武岩中测得的最低的μ182W值（–22.7 ± 3.3, 2SE; Mundl-Petermeier et al., 2020）相同，但其μ142Nd值却与现代地幔值相同；芬兰Suomussalmi绿岩带科马提岩钻孔样品的μ182W测量值变化范围为–2.2～+11.3，峨眉山大火成岩省的苦橄岩样品μ182W测量值变化范围为–7.1～+3.1（图1）。 

图1 南非Barberton绿岩带、芬兰Suomussalmi绿岩带和中国峨眉山大火成岩省样品的W同位素分析结果，误差线为2SE

　　总结这些新数据和前人研究结果，他们认为：（1）南非Barberton绿岩带Kromberg组玄武岩样品中发现的μ182W负异常可能来源于地球早期分异或者核幔相互作用；（2）芬兰Suomussalmi绿岩带科马提岩样品具有高的W/Th比值，岩石中的部分W可能由后期流体作用引入；（3）峨眉山大火成岩省苦橄岩样品与现代洋岛玄武岩具有类似的Nd-Pb-W同位素特征，即具有μ182W负异常的样品通常具有较高的143Nd/144Nd比值和较低的206Pb/204Pb比值，而不具有μ182W异常的样品则通常来源于明显包含再循环地壳物质的地幔源区。 

　　该研究系统总结了地幔W同位素不均一性分布的时空规律（图2），发现太古宙的上地幔通常具有正μ182W值，而到元古宙初期，上地幔的μ182W值逐渐变为零，认为具有μ182W负异常的深部地幔物质通过地幔柱进入到上地幔并参与地幔混合是上地幔μ182W值降低的可能原因之一；显生宙地幔柱相关岩石样品通常具有零到负的μ182W值，虽然板块构造体制启动后，地壳物质的再循环对下地幔W同位素组成有一定的改造作用，但地球早期地幔化学不均一性可在核幔边界处长期保存，这提升了人们对地球早期地幔化学不均一性的形成、保存与破坏过程的认知。 

图2 不同时代幔源岩石W同位素组成，误差线为2SE

　　研究成果发表于国际学术期刊Geology（梅清风，杨进辉*，李潮峰，王选策，Jukka Konnunaho，吴亚东，钟宏，徐义刚，王浩. Modern ocean island basalt–like 182W signature in Paleoarchean mafic rocks: Implications for the generation, preservation, and destruction of early mantle heterogeneities [J]. Geology, 2023, 51(10): 919–923. DOI: 10.1130/G51354.1）。该研究受国家自然科学基金项目（42103011和42003029）资助。