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《nature reviews earth & environment》2023年9月综述：地幔柱揭示的地球深部组成
作者与机构
本文由Dominique Weis（加拿大不列颠哥伦比亚大学）、Karen S. Harpp（美国科尔盖特大学）、Lauren N. Harrison（美国佛罗里达州立大学）等来自10所机构的学者合作完成，发表于2023年9月的《nature reviews earth & environment》（第4卷，604-625页）。
主题与背景
这篇综述聚焦于地幔柱（mantle plumes）的化学组成及其对地球深部动力学的指示意义。地幔柱起源于核幔边界（core-mantle boundary, CMB，约2800公里深度），其喷发的洋岛玄武岩（ocean island basalts, OIBs）为理解深部地幔成分、对流过程、地壳形成与循环、全球热与挥发分预算提供了关键窗口。研究基于同位素分析技术（如放射性成因同位素Sr-Nd-Pb-Hf-W和稳定同位素Li-C-O-S-Fe-Tl）的进展，探讨了地幔柱的起源、动力学及其对地球演化的启示。
主要观点与论据
地幔柱的分类与物理特性
- 地幔柱根据上升通量强度、成分和持续时间可分为“初级柱”（primary plumes，源自1000-2800公里深度）和次级柱。初级柱具有显著的地震波低速异常（≥−1.5%）、年龄递进的火山链、大火成岩省（large igneous provinces, LIPs）以及高³He/⁴He比值等特征。
- 地球物理模型表明，地幔柱多起源于大型低剪切波速省（large low-shear-velocity provinces, LLSVPs）边缘，LLSVPs被解释为核幔边界的热化学堆叠体。超低速带（ultra-low velocity zones, ULVZs）可能由铁富集或熔体层组成，其高密度特性使其成为早期分异物质的潜在储存库。
- 支持证据：夏威夷地幔柱的双侧成分不对称性（Loa趋势富集、Kea趋势亏损）反映其源自太平洋LLSVP与周围地幔的混合，其他如萨摩亚、加拉帕戈斯群岛的柱体也显示类似模式。
地幔柱的浮力通量与熔融机制
- 浮力通量（buoyancy flux）决定部分熔融程度：高通量柱（如夏威夷、冰岛）产生拉斑玄武岩，低通量柱（如库克-澳大利亚链）以碱性玄武岩为主。
- 子观点：柱体强度可能受LLSVP proximity（邻近性）影响，例如夏威夷柱45 Myr以来通量增加与LLSVP锚定效应相关。
洋岛玄武岩（OIBs）的地球化学端元
- OIBs同位素组成可归纳为5种端元：HIMU（高μ=²³⁸U/²⁰⁴Pb）、EM-I（富集地幔I）、EM-II（富集地幔II）、DMM（亏损MORB地幔）和PREMA（普遍地幔）。
- EM-I/EM-II起源：EM-I可能来自再循环的大洋岩石圈或沉积物，EM-II则与大陆壳物质相关；HIMU端元则与古老（约20亿年）脱水洋壳的再循环有关。
- 支持数据：HIMU型OIBs（如圣赫勒拿岛）显示高²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb和低⁸⁷Sr/⁸⁶Sr，而EM-II型（如萨摩亚）具有高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr，反映沉积物贡献。
再循环物质在地幔柱源区的角色
- 俯冲洋壳和沉积物通过同位素（如Li、Tl、S）和微量元素（Ce/Pb、Nb/U）异常被识别。例如，夏威夷玄武岩的ε²⁰⁵Tl正值（+4）指示再循环沉积物，而负值（如圣赫勒拿岛）反映蚀变洋壳。
- 关键证据：太古宙硫同位素非质量分馏（MIF-S）信号在曼盖亚（HIMU）和皮特凯恩（EM-I）玄武岩中的发现，表明其源区含有≥25亿年的表生物质。
早期形成的地幔储库
- 短寿命放射性核素（如¹⁴⁶Sm-¹⁴²Nd、¹²⁹I-¹²⁹Xe、¹⁸²Hf-¹⁸²W）揭示地幔柱可能采样了早期（>44.5亿年）分异的物质。例如，留尼汪岛和萨摩亚OIBs的μ¹⁴²Nd异常（±8 ppm）暗示岩浆洋结晶残留体的保存。
- 核幔相互作用：OIBs的μ¹⁸²W负异常（如夏威夷、冰岛）可能反映外核的W通过CMB扩散进入地幔，但需与早期硅酸盐分异效应区分。
地幔混合与对流模型
- 数值模拟显示，地幔柱在上升过程中拉伸化学异质体形成丝状结构，其形态受粘度对比和成分浮力控制。LLSVPs可能包含岩浆洋结晶残留体与再循环物质的混合。
意义与价值
本文系统整合了地球化学、地震学和动力学模型，提出地幔柱是揭示地球深部组成与演化的“探针”。其价值在于：
1. 科学层面：建立了地幔柱成分与深部储库（LLSVPs、ULVZs）的关联，为早期地球分异和板块俯冲循环提供了直接证据。
2. 方法论：强调多同位素体系（如Li-Tl-W-Xe）联用和实验室间协作的重要性，为未来研究指明方向。
3. 应用潜力：对地幔柱通量与火山喷发类型的关联分析，可改善对板内火山灾害的预测。
亮点
- 首次系统评估了地幔柱成分谱（从HIMU到PREMA）与深部动力学过程的关联。
- 提出LLSVPs既是再循环物质的“墓地”，也可能是原始岩浆洋残留体的保存场所，挑战了传统地幔模型。
- 通过高精度μ¹⁸²W和¹²⁹Xe数据，为核幔相互作用提供了迄今最有力的地球化学约束。