Эволюционирующий геодинамический режим Земли зафиксирован с помощью изотопов титана

Природа (2023)Цитировать эту статью

7324 Доступа

107 Альтметрика

Подробности о метриках

Мантия Земли имеет двухслойное строение: верхняя и нижняя мантийные области разделены сейсмическим разрывом на высоте около 660 км (ссылки 1,2). Однако масштабы массопереноса между этими мантийными областями на протяжении всей истории Земли плохо изучены. Экстракция континентальной коры приводит к фракционированию стабильных изотопов Ti, в результате чего образуются изотопно легкие плавильные остатки3,4,5,6,7. Переработка этих компонентов в мантии может придать изменчивость изотопа Ti, которую можно отслеживать в глубоком времени. Мы сообщаем о сверхточных соотношениях 49Ti/47Ti для хондритов, древних лав земной мантии возрастом от 3,8 до 2,0 миллиардов лет назад (Ga) и современных базальтов океанских островов (OIB). Наша новая оценка Ti-силикатной Земли (BSE), основанная на хондритах, на 0,052 ± 0,006 ‰ тяжелее, чем современная верхняя мантия, отобранная обычными базальтами срединно-океанических хребтов (N-MORB). Соотношение 49Ti/47Ti в верхней мантии Земли было хондритовым до 3,5 млрд лет назад и превратилось в N-MORB-подобный состав примерно между 3,5 и 2,7 млрд лет назад, что указывает на то, что в эту эпоху было извлечено больше континентальной коры. Смещение +0,052 ± 0,006‰ между BSE и N-MORB требует, чтобы <30% мантии Земли уравновешивалось переработанным материалом земной коры, что подразумевает ограниченный массообмен между верхней и нижней мантией и, следовательно, сохранение первичного резервуара нижней мантии для большую часть геологической истории Земли. Современные OIB фиксируют переменные соотношения 49Ti/47Ti в диапазоне от хондритического состава до N-MORB, что указывает на продолжающееся разрушение первичной мантии Земли. Таким образом, тектоника плит современного типа с высоким массопереносом между верхней и нижней мантией представляет собой лишь недавнюю особенность истории Земли.

История аккреции планет земной группы отмечена глобальным этапом океана магмы, который приводит к планетарной дифференциации и созданию важных резервуаров, таких как ядро, мантия и кора. Последующая эволюция и модификация этих резервуаров могут существенно повлиять на тепловой и геодинамический режимы планет. На основе минералогии, реологии и сейсмической скорости установлено, что структура мантии Земли является слоистой с основным сейсмическим разрывом на высоте около 660 км, разделяющим верхнюю и нижнюю мантийные области1,2. Однако степень, в которой массоперенос происходит внутри мантии на протяжении геологической истории, остается предметом споров. Данные сейсмической томографии предполагают, что субдуцированные плиты могут проникать в нижнюю мантию, и при нынешних темпах массообмена первичная мантия Земли, по прогнозам, не выживет после длительной конвекции в масштабе всей мантии8,9,10. Между тем, исследования, основанные на благородных газах11,12,13,14,15, а также изотопах вольфрама16 и неодима17, предположили вместо этого существование первичных мантийных доменов в современной недрах Земли. Хотя сохранение первичного резервуара нижней мантии в течение длительных геологических временных масштабов обсуждается18,19, некоторые геодинамические модели показывают, что сохранение первичных мантийных доменов может происходить в современном режиме полномантийной конвекции, характеризующейся глубокой субдукцией20. Кроме того, как численное моделирование, так и геологические наблюдения21,22,23,24,25 предполагают, что режим конвекции Земли и, следовательно, стиль субдукции плит, возможно, также значительно изменились с течением времени вследствие изменения теплового потока и теплопередачи25. 26. Таким образом, потенциальным решением этой загадки является то, что высокий массоперенос между верхней и нижней мантией, выявленный на основе сейсмической томографии, является относительно недавней особенностью геологической истории Земли, так что первичный, менее дегазированный резервуар нижней мантии претерпевает разрушение, но еще не полностью разрушен27. Эта гипотеза не была полностью оценена из-за отсутствия однозначного геохимического инструмента, который мог бы точно проследить массообмен между мантийными и коровыми резервуарами в глубоком времени.

90% Ti from their sources. By contrast, basaltic magmas that form from lower degrees of mantle partial melting (about 5–10%, for example, the approximately 3.8 Ga Isua pillow-textured metabasalts or approximately 3.48 Ga Barberton basaltic komatiites) extract approximately half of the Ti from their sources. Thus, a resolvable difference in δ49Ti is expected between the two types of magma if there is notable Ti isotopic fractionation between silicate melts and melting residues during partial melting of mantle peridotites. However, the comparable δ49Ti values between the approximately 3.8 Ga Isua metabasalts (+0.048 ± 0.005‰, 2 s.e., n = 5), the approximately 3.48 Ga Barberton komatiites (+0.044 ± 0.009‰, 2 s.e., n = 4) to basaltic komatiites (+0.048 ± 0.008‰, 2 s.e., n = 4) and chondrite meteorites (+0.053 ± 0.005‰, 2 s.e., n = 22) suggests that, in agreement with previous inferences based on various lines of evidence3,4,38,39, Ti isotopic fractionation between melts and residues from mantle partial melting is negligible. Thus, the near-zero Δ49Timelt-residue values inferred here suggest that metal-saturated melting with presence of Ti3+ is not relevant to the generation of terrestrial mafic/ultramafic magmas40. Moreover, the limited fractionation of Ti from mantle partial melting on Earth implied by our results supports the hypothesis that the studied mantle-derived rocks faithfully record the δ49Ti composition of their mantle sources. As such, our data suggest that sources of the studied mantle-derived rocks were characterized by chondritic δ49Ti values (δ49Ti = +0.053 ± 0.005‰) around approximately 3.8–3.5 Ga and evolved towards a modern depleted MORB mantle composition (δ49Ti = +0.001 ± 0.005‰) by approximately 2.7 Ga. This secular evolution is observed in both Southwest Greenland and the Kaapvaal Craton and is in line with the lower δ49Ti values observed in the late Archaean mantle-derived rocks from Belingwe, Yilgarn and Abitibi. By comparison, the approximately 2.0 Ga Kangâmiut dykes and modern OIBs were derived from the mantle sources different from the modern depleted MORB mantle reservoir./p>5.80 wt%, except for sample ICE-14-16 with MgO = 5.02 wt%, and (2) the lavas from the same age groups or the same oceanic islands did not show resolvable increase in δ49Ti with decreasing MgO contents (Extended Data Fig. 1b). We also note that some OIB samples contain the earlier crystallized olivine phenocrysts that would lead to much higher MgO contents, which—however—should have negligible effects on the Ti isotopic compositions of the studied samples in a whole-rock-scale owing to the low TiO2 contents in olivine./p>

2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0091-7613%282001%29029%3C1083%3AMACFBC%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 58" data-doi="10.1130/0091-7613(2001)0292.0.CO;2"Article ADS CAS Google Scholar /p>