
图4 太古代克拉通地幔再循环的数值模拟。(A, B)地幔柱活动启动后29.5 Ma和76 Ma的模拟结果;(C)地幔柱热/化学对克拉通地幔的侵蚀效率
该研究首次在现今洋中脊发现太古代克拉通地幔的出露,在以下三个方面具有重要意义:
(1)研究结果充分说明除了大洋岩石圈地幔可以通过俯冲作用循环进入软流圈(Liu et al., 2008),克拉通型的大陆岩石圈地幔也可以循环进入软流圈。考虑到太古代克拉通地幔在进入软流圈之前通常会长期遭受熔体交代作用,在地球化学成分尤其是Sr-Nd-Pb-Hf同位素上可以表现出富集的特征,因此当遭受交代的太古代克拉通地幔随软流圈进入洋中脊时,这些交代组分会优先熔融形成具有富集特征的洋中脊玄武岩,即E-MORB。因此,再循环的太古代克拉通地幔在地球化学上可能是一个潜在的富集地幔储库(mantle reservoir)。
(2)这一发现为证实低密度的太古代克拉通地幔可以通过某种构造作用进入软流圈提供了确切的证据,为研究克拉通的形成演化乃至破坏提供了新的视角。克拉通岩石圈的形成和演化是地球科学的核心问题之一。根据海底拖网的资料,太古代克拉通地幔在西南印度洋脊出露的规模为数公里至数十公里,这为未来克拉通地幔研究提供了除地幔包体以外的另一个重要窗口。因此未来关于克拉通的研究应该立足陆地,放眼海洋。
(3)目前对于大陆地壳增生时间、方式与机制的研究主要是基于陆壳岩石的资料(Guo and Korenaga, 2020)。考虑到太古代时期地幔具有更高的温度会提高地幔柱热/化学侵蚀的效率,从而导致太古代地幔与地壳更容易循环回到软流圈乃至下地幔。洋岛玄武岩的S同位素研究也支持太古代地壳物质已经循环进入到下地幔(Delavault et al., 2016)。因此,对软流圈中的古老地幔开展进一步的研究,可以为陆壳增生的时间、方式与机制提供重要的制约。

图5 太古代克拉通地幔再循环模型图。①地幔柱热/化学侵蚀作用将太古代地幔从克拉通地区拆离进入软流圈,②通过地幔对流作用重新在洋中脊出露而成为新生大洋岩石圈的一部分,③并随着大洋岩石圈俯冲再次回到软流圈乃至下地幔
相关成果近期发表于Science Advances(刘传周*, Dick H J B,MitchellR N, 韦武, 张振宇, Hofmann A W,杨建锋,李杨. Archean Cratonic Mantle Recycled at a Mid-Ocean Ridge[J].Science Advances, 2022, 8(22). DOI: 10.1126/sciadv.abn6749)。研究受国家杰出青年基金、国家重点研发计划“难熔元素和同位素分析技术创建与革新及地学应用”等项目资助。