发现了隐藏在地幔底部的地球化学储藏库

发布要点

世界上第一次调查了岩浆和桥蒙脱石（地球下部地幔的主要矿物）之间的微量元素的分配系数

地球形成时形成的岩浆海在地幔深部固结时，残留的岩浆随着时间的推移会有低的铪同位素异常、高的钕同位素异常

◆结晶化发展的岩浆含有很多铁，很重，所以不会堆积在地幔的底部，上升到地表。由于该岩浆是“被隐藏”的地球化学储藏库，因此可以认为在地表观察到的地幔的铪-钕同位素组成范围（地幔阵列）与原始陨石组成有偏差

概要

以东京大学研究生院理学系研究科地球行星科学专业的小泽佳佑研究生（研究当时）和广濑敬教授为中心的研究小组，利用北海道大学的同位素显微镜（注1），在广泛覆盖地球下部地幔的压力范围内，首次决定了岩浆和矿物（桥镁石）之间的微量元素（镧、钕、钐、钌、铪）的分配系数（注2）

整个地幔的铪和钕同位素组成应该与原始陨石的值一致

但是，在地表观察到的铪-钕同位素的组成范围（地幔阵列）与原始陨石的组成不同。这暗示着在地表观测不到的“隐藏的地球化学储藏库”位于地球深部

使用这次得到的分配系数，对地球形成时形成的地幔深部的基底岩浆海的结晶化和化学组成的进化进行了建模，结果表明随着时间的推移会有低的铪同位素异常、高的钕同位素异常。结晶化发展的基底岩浆海的岩浆，由于富含铁，密度很大，也不会被卷入从地幔底部产生的地幔上升流中。如果这个岩浆是“隐藏的地球化学储藏库”的话，可以很好地说明地幔阵列和始原陨石的值的差异。这次确定的“隐藏的地球化学储藏库”中，可能还储藏着其他元素，例如作为热源的放射性元素（铀、钍、钾）

发表内容

背景

许多陨石起源于火星和木星之间的小行星带。其中最原始的陨石的化学组成与太阳大气的化学组成一致，因此认为位于太阳和小行星带之间的地球组成也与它们相同（但是，除去像水一样的挥发性成分）。来自地球地幔的岩浆的铪和钕同位素组成有很强的相关性，它们在一条直线上（图1）。这条直线没有通过原始陨石的组成（图1的原点）。也就是说，在地表观测不到的“隐藏的储藏库”应该在地球深部。但是，那个储藏库在哪里，是怎么建成的，到现在为止还不太清楚

地球形成时，地幔整体熔融成为岩浆海洋的可能性很高。随着岩浆海的冷却，桥蒙脱石的结晶聚集在地幔中间，岩浆海分为上下两部分。浅的岩浆海洋从地球表层冷却，数百万年就固结了。另一方面，深的岩浆海（基底岩浆海）慢慢地冷却前进，现在那个极少数也有可能作为岩浆存在于地幔底（作为地震波的超低速区域被观察，地幔底的部分熔融体相当于这个）。随着基底岩浆海中结晶化的发展，剩下的岩浆会富含铁

另外，微量元素也主要随着与桥蒙脱石的分配系数而发生很大变化。富含铁的剩余岩浆密度很大，不会被卷入地幔上升流中。也就是说，是地表观测不到的“隐藏的储藏库”的有力候补p>

研究内容

本研究使用金刚石砧座装置（注3），使地幔物质在高压高温状态下熔化。对于加热后的试料，切出截面后，得到了中心被骤冷冻结的硅酸盐熔体（岩浆），其周围被桥镁石覆盖的结构

之后，使用北海道大学的同位素显微镜，对硅酸盐熔体和桥蒙脱石中的微量元素（镧La、钕Nd、钐Sm、钌Lu、铪Hf）进行定量，决定了各个元素的桥蒙脱石/熔体的分配系数（D）。结果表明，与过去进行实验的下地幔浅部压力下的结果不同，地幔深部压力下为D（Lu）>D（Hf）、D（Nd）>D（Sm）。因此，随着结晶化的进行，基础岩浆海中的岩浆与Lu相比富含Hf，与Nd相比富含Sm。根据那个，随着时间的经过，岩浆有低的Hf同位素异常，高的Nd同位素异常。如果这个富含铁的岩浆是不参加地幔对流的“隐藏的储藏库”，那么通过岩浆在地表观察到的地幔与其互补，具有高Hf同位素异常和低Nd同位素异常实际上，这种岩浆的同位素组成进化取决于基底岩浆海中的结晶速度。现在地幔底部观测到的地震波的超低速区域（注4）的体积是来自基底岩浆海洋的岩浆（结晶后的剩余岩浆），估计结晶速度的话，除了基底岩浆海洋中的岩浆以外，其余地幔的铪-钕同位素组成（地幔阵列）的平均值与观测范围一致（图1的红圈）。也就是说，这次的研究表明，地幔底部观测到的地震波的超低速区域，很可能是初期地球的基底岩浆海的残渣，另外，这是地表观测不到的“隐藏的储藏库”

意义·今后的展望

本研究表明，地幔底部存在着地表不存在的隐藏的地球化学储藏库。关于地球上应该存在的量的一部分，有好几个下落不明的元素。这次公开的地幔底部的地球化学储藏库中隐藏着多少元素，我想进行详细的调查