在现代地球上，板块俯冲改变着对流地幔的化学组成，与之相关的典型地幔源区被广泛研究和论证。然而，在地质历史时期，对流地幔的化学不均一性始于何时，地球动力学演化及关键构造事件是否改变着对流地幔的化学成分，这些关键科学问题的研究程度相对较低。中国科学院海洋研究所孙卫东课题组刘鹤研究员指导博士研究生陈茜采用大数据分析方法对上述问题展开了详细研究，相关成果10月16日发表于国际学术期刊Science Advances。
陆内玄武岩（Intraplate continental basalt）作为对流地幔部分熔融的产物，是研究地质历史时期对流地幔化学成分演化的重要载体。研究人员从EarthChem数据库中采用多项条件筛选出过去10亿年间全球范围内形成的陆内玄武岩（去掉受地壳混染影响明显的样品）。统计分析结果显示，具有富集地球化学特征（εNdi < 0）的陆内玄武岩在约300 Ma后才开始普遍出现。这一时期正值全球范围内具有壳源物质混入特征的金伯利岩的出现，其它地幔来源的岩石记录也显示了一致的演化趋势。因此，~300 Ma后富集陆内玄武岩的出现，反映了全球尺度对流地幔源区成分的改变。
为解释这一现象，研究人员首先检测了富集地幔源区的形成是否可以归因于与之邻近的俯冲板片。通过重建具有富集地球化学特征的陆内玄武岩和金伯利岩的古地理位置，显示富集的幔源岩浆既可能靠近也可能远离（>5000 km）俯冲带。进一步对比陆内玄武岩和金伯利岩的εNdi值与距离最近俯冲带的距离，发现两者之间没有明显的相关关系。这意味着，具有富集同位素特征的陆内玄武岩和金伯利岩不一定是由与之临近的俯冲板片直接贡献形成的。
因此，300 Ma后陆内玄武岩和金伯利岩的富集源区特征更可能来自于更早时期的远端俯冲的贡献。开始于新元古代末期（~800-600 Ma）的现代板块构造（Modern plate tectonics），以全球范围的深冷俯冲和陆壳俯冲为典型特征，尤其是在Gondwana-Pangea超大陆聚合期俯冲通量的显著增加，可能从根本上改变了对流地幔的成分，驱动着全球尺度对流地幔化学不均一的演化。相对于现代板块构造的启动，具有富集特征的对流地幔来源岩浆岩出现的时间滞后了大约300百万年，这一时间与前人估算的陆壳物质随俯冲板块下沉至下地幔，并在随后的地幔上升流中被运移至上地幔而后喷发所需的最短时间一致。
这项研究成果揭示了新元古代末期现代板块构造在全球范围内的启动对上地幔成分变化造成的影响，为地球内部与表层物质循环的研究提供了新的依据。
中国科学院海洋研究所博士生陈茜为本文第一作者，刘鹤研究员为通讯作者，张丽鹏副研究员和孙卫东研究员为合作作者。美国卡内基研究所Andrea Giuliani以及澳大利亚科廷大学Luc Doucet和Tim Johnson深度参与了合作。研究得到了国家自然科学基金和崂山实验室等项目资助。
文章信息：
Chen, Q., Liu, H., Giuliani, A., Doucet, L.S., Johnson, T.E., Zhang, L. and Sun, W., 2024. Global mantle perturbations following the onset of modern plate tectonics. Science Advances, 10(42): eadq7476.
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq7476
