中国科学技术大学地球和空间科学学院特任教授邓正宾与多位国际学者合作，通过改进钛稳定同位素的测量方法，成功刻画了地幔来源火成岩的钛同位素记录，并揭示了地球地幔运转模式的演变。研究结果于7月26日发表在《自然》杂志上。
地球的结构主要分为地壳、地幔和地核。地幔在660公里处存在地震波速的不连续界面，分为上地幔和下地幔两个部分。上、下地幔之间的物质交换对于地壳和地幔中元素的分布具有重要影响，对于理解类地行星的动力学和热演化十分关键。
地球化学研究发现，现代深部地幔保留了地球形成早期物质的同位素记录。然而，地震层析成像研究却发现，俯冲板片可以进入下地幔。这意味着上、下地幔之间存在着大量物质交换，这与地球化学研究的结论相反。
因此，研究人员采用了钛稳定同位素作为工具来跟踪地壳-地幔物质交换。钛稳定同位素在地质过程中不易发生迁移，因此可以提供地球形成以来地壳-地幔物质交换的完整记录。为了改进钛稳定同位素的测量精度，研究人员利用最新一代多接收等离子体质谱仪，并改进了样品处理流程和数据处理方法，将分析精度提高了3至4倍。
通过这种新的分析方法，邓正宾与合作者首先对24个球粒陨石样品的钛同位素进行了标定，并发现现代地球的钛稳定同位素组成与全硅酸盐地球存在显著差异。在此基础上，他们对比研究了全球不同地质时期的地幔来源火成岩，发现这种差异主要形成于35亿年到27亿年之间。而现代洋岛玄武岩具有更接近全硅酸盐地球的组成特征。
结合已有的大陆地壳生长模型，研究人员认为这种变化可能反映了地球自太古代时期以来上、下地幔之间的物质交换受限的状态。而现代洋岛玄武岩的记录则表明现代地球内部仍存在原始地幔储库，但这个储库正在逐渐被瓦解。
这项研究的突破在于使用了钛稳定同位素的高精度测量方法，综合研究了地球地幔来源火成岩的同位素记录随时间的变化。研究结果揭示了地球地幔运转模式的演变，并弥合了地球化学和地球物理对地幔内部过程约束的矛盾。
基于这一研究，进一步探究地球地质历史中地幔物质交换模式及其演化的机制成为了亟需开展的研究方向。这将有助于更好地理解类地行星的地质特征和宜居性演化。
