3月27 日，中国地质大学(武汉)地球科学学院刘勇胜教授团队与亚利桑那大学Mihai N. Ducea教授合作，在国际地学领域顶级期刊《地质学》(Geology)发表了题为《浅部克拉通地幔存在太古代高放射性成因铅》(Archean, highly unradiogenic lead in shallow cratonic mantle)的学术论文，阐释了地幔高非放射性成因铅的起源及相应的深部地球动力学过程，建立了早元古代大氧化事件(大约23~24亿年)与地球铅同位素组成之间的重要联系。

自然界中铅(Pb)以²⁰⁴Pb、²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb、²⁰⁸Pb四种稳定同位素存在，其中仅²⁰⁴Pb为非放射性成因的铅，后三种放射性成因铅分别是²³⁸U、²³⁵U、²³²Th经一系列衰变后的最终产物。地球内部铅同位素组成(如²⁰⁶Pb/204Pb、207Pb/204Pb、208Pb/204Pb)对于理解地球的形成和分异历史具有十分重要的意义。最为人所熟知的美国Canyon Diablo陨石，其Pb-Pb等时线揭示了地球年龄为45.7亿年(图1)。现有大量地球化学数据研究表明，大洋中脊玄武岩(MORB)和洋岛玄武岩(OIB) 比全硅酸盐地球(Bulk Silicate Earth，BSE)具有明显更高的206Pb/204Pb和207Pb/204Pb比值，主要位于零地球等时线(zero geochron)的右侧(图1)。这一问题被称为铅悖论(Pb paradox)，长期困扰着地球化学家们。根据质量守恒原理，这暗示在地球内部隐藏着一个高非放射成因铅同位素的储库(图1)。为了破解这一谜题，有学者提出了一种假说：在地球早期金属地核和硅酸盐地幔发生分异的过程中，铅可作为亲硫元素随着金属铁进入地核。然而，最近的高温高压实验测定了铅在金属铁熔体和硅酸岩熔体之间的分配系数，其结果并不支持这一假说。目前看来，地球丢失的铅可能隐藏于硅酸盐地球(大陆下地壳或岩石圈地幔)。

图1. 大洋玄武岩与地幔橄榄岩的铅同位素组成

已有研究表明，早期地球大气圈是极端缺氧的，可供呼吸的自由氧气分子的含量不及现今大气含氧量的0.001%。在一次全球规模的大氧化事件(Great Oxidation Event，GOE；距今23~24亿年前)之后，大气中的游离氧含量急剧增加(图2)。这次早古元古代大氧化事件为地表环境的宜居性和生命的快速演化奠定了重要基础，也显著改变了陆地-海洋的矿物成分、元素和同位素组成。科学家已经发现太古代沉积岩硫同位素(S-33和S-36)非质量分馏信号(Δ33S≠0, Δ36S≠0)非常明显，但是这些信号在GOE之后年轻的沉积岩里面却消失不见(图2)。同时，海水中金属铀(U)对氧浓度非常敏感：当GOE之前海水中的氧气浓度较低时，海水贫铀(主要以不溶于水的U4+形式存在)和相应的大洋沉积物富集非放射性成因铅同位素；当GOE之后海水中的氧气浓度较高时，海水明显更富铀(主要以溶于水的U6+形式存在)和相应的大洋沉积物富集放射成因铅同位素(206Pb/204Pb比值可以高达43；图2)。现代大洋沉积物(GLOSS)和岛弧岩浆远低于球粒陨石的钍/铀(Th/U)比值和较高的放射成因铅同位素(图2)也支持这一认识。然而，俯冲再循环的太古代沉积物的命运如何？早古元古代大氧化事件如何影响深部地幔氧化还原状态和化学组成？长期以来，这些都是地质学家值得探讨的科学问题。

针对上述科学问题，刘勇胜教授研究团队选取华北克拉通东部济南早白垩世富镁辉长岩为研究对象，通过锆石铀-铅(U-Pb)定年、全岩主微量元素、锶-钕-铅同位素(Sr-Nd-Pb)同位素和硫化物原位微区硫(S)同位素分析研究，并结合前人地球化学数据和高温高压实验结果，取得了以下几点创新性认识：

(1) 众所周知，铅是亲铜元素，喜欢赋存在地幔硫化物中。不仅如此，实验结果还表明，在低压条件下，铅更容易在硫化物中富集(铅在硫化物熔体-硅酸岩熔体之间的分配系数具有负的压力依耐性)。研究人员观察到华北克拉通东部早白垩世高镁玄武岩/苦橄岩的铅同位素(206Pb/204Pb)与钆/镥(Gd/Lu)比值(钆/镥表示为中-重稀土元素比值，可以用来指示地幔熔融深度)之间呈正相关性(图3)。这些结果表明，随着地幔深度的逐渐降低，非放射性铅在克拉通岩石圈地幔硫化物中逐渐富集。

(2) 这些富镁辉长岩富集流体活动元素钡(钡/铷和钡/钍比值分别高达55和945)，指示其地幔源区遭受了含水流体的交代。铅也是类似钡的一种流体活动性元素，会随着俯冲沉积物脱水进入到浅部克拉通地幔。进一步的原位硫同位素结果表明，辉长岩中黄铁矿的硫同位素组成(δ34SV-CDT)为+23.9 ~ +25.3‰，明显高于地幔值(δ34SV-CDT = –1‰)，其主要来源于俯冲的地表沉积物。这些特征指示俯冲沉积物脱水作用过程中，大量的富硫-铅流体会释放到浅部克拉通地幔。

(3) 不同于现代岛弧岩浆岩和大洋沉积物，济南辉长岩具有接近于球粒陨石的钍/铀(Th/U)比值，极低的铅(206Pb/204Pb)-钕(143Nd/144Nd)同位素组成(两者之间呈正相关性，且具有富集地幔I型(EMI)洋岛玄武岩的演化趋势; 图3)。综合以上这些特征指示EMI型地幔源区可能普遍经历了俯冲太古代含水流体的交代作用。因此，该研究为探究EM1型地幔端元的起源提供了新的视角。

    图2. 地球氧气、氧化还原敏感性元素和同位素在地质历史时期的变化特征     图3. 洋岛玄武岩和济南辉长岩的铅-钕同位素组成

文章信息：Zhang, J.-B., Liu, Y.-S., Ducea, M.N., Xu, R., 2020. Archean, highly unradiogenic lead in shallow cratonic mantle. Geology. in press. https://doi.org/10.1130/G47064.1