——发现北冰洋Gakkel洋脊下方存在古老且不均一地幔

地质与地球物理研究所

地质与地球物理研究所年轻学者刘传周博士及其合作者在2008年3月20日刚刚出版的国际著名刊物Nature(452卷，311-316页)以论文(Articles)的形式发表了他们对来自世界上扩张速率最慢的北极Gakkel洋脊的大洋橄榄岩的研究成果，对传统的观点提出了创新性的新认识。受中国科学院在读博士生赴外研修奖学金以及马普学会学生奖学金的联合资助，刘传周在博士研究生期间对选自北冰洋Gakkel洋脊两个采样点的大洋橄榄岩样品开展了相关矿物岩石地球化学工作，其中一个采样点的橄榄岩样品的新鲜程度极其罕见。

　  软流圈是指地球浅部岩石圈以下至660公里不连续面以上，刚性较弱且能够发生长期缓慢变形的地幔部分，是讨论壳幔相互作用等一系列地质过程的重要载体，它的对流也是地球表层板块构造运动的主要‘引擎’。因此，软流圈地幔的物理性质和化学成分一直为众多地球科学家所关注。但对于软流圈地幔是否具有均一的化学成分这一问题，目前还存在很大的争议。学术界普遍认为，发生在软流圈中的元素扩散及地幔对流可以有效地消除软流圈中不同规模的不均一性，这也被软流圈地幔来源的大洋中脊玄武岩的研究所证实。

　  全岩的Re-Os同位素结果表明在同一个采样点的尺度范围内 (<5 km)，地幔的Os同位素存在着高度的不均一性。同时，两个采样点的方辉橄榄岩均具有极低的Os同位素比值，反映Gakkel洋脊下方存在20亿年左右的古老地幔。由于遭受过古老的熔体抽取，这些难熔地幔当重新进入到Gakkel洋脊时，它们发生部分熔融的程度很低或者不再发生部分熔融。

　  此研究结果具有以下三方面的重要意义：第一，部分大洋橄榄岩和与之相伴生的大洋中脊玄武岩之间并不存在成因上的联系，而是代表了残存在软流圈中的古老地幔。这些耐熔的古老地幔由于不参与部分熔融或熔融程度很低，它们的成分因而并不能通过大洋中脊玄武岩体现出来。以前利用洋中脊玄武岩来估计软流圈地幔的成分由于忽略了这些更为耐熔的古老地幔，因而可能会高估软流圈地幔的饱满程度。第二，古老地幔可以长时间地(数十亿年)残余在软流圈地幔中。正是这些古老地幔的存在，模糊了软流圈地幔与岩石圈地幔在Os同位素上的差异，因此运用Re-Os同位素对岩石圈地幔和蛇绿岩进行定年时须倍加小心。第三，古老地幔在软流圈中长时间的保存说明，地幔对流作用并非像传统认识的那样可以高效地消除其不均一性，以前认为的软流圈地幔具有均一成分的这一普遍认识需要重新修正。

　  自2000年以来，我所先后以第一作者和第一署名单位在Nature发表了6篇研究论文，但都是以Letters或Brief Communications的形式发表的，而刘传周博士是第一篇以Articles形式发表的论文。该成果的发表显现出以下几个特点：(1)作者是博士后站工作不足半年的年轻科研人员，以博士生期间的研究成果进行论文撰写并发表，体现了我所年轻科研人员的良好科研素质；(2)刘传周博士既是此篇论文的第一作者也是通讯作者，在研究思路、实验分析技术与方法、结果解释和论文撰写等方面均做出了实质性贡献；(3)该研究成果所涉及的是固体地球科学的关键研究领域，也是我所知识创新工程的重要研究主题；(4)此前的6篇Nature文章研究的均是中国境内的地质问题，而刘传周博士是首次以全球地质重大问题为视野，开展研究工作的年轻人。

大洋橄榄岩的Re-Os同位素研究表明在洋中脊下方上涌的软流圈除了包含正常的亏损地幔和富集地幔以外，还包含有古老的难熔地幔。正常的亏损地幔和富集地幔分别为正常的大洋中脊玄武岩(normal mid-ocean ridge basalts, N-MORB)和富集的大洋中脊玄武岩(enriched mid-ocean ridge basalts, E-MORB)的地幔源区，其成分因此也可以通过这些不同类型的玄武岩估计得到。然而，由于古老的难熔地幔进入洋中脊后发生熔融的程度很小，它们对洋中脊玄武岩形成的贡献也很小。因此，它们的成分并不能体现在洋中脊玄武岩上。这些古老的难熔地幔的Re-Os同位素结果表明循环回到地幔的岩石圈地幔在软流圈中保存的时间可长达数十亿年。

刘传周博士后等提出的软流圈地幔不均一的模型图(引自Liu et al.,2008，Nature, 452：311-316)