티타늄 동위원소로 기록된 지구의 진화하는 지구역학 체제

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지구의 맨틀은 약 660km 지점에서 지진에 의해 분리된 상부 맨틀 영역과 하부 맨틀 영역으로 구성된 2층 구조를 가지고 있습니다(참조 1,2). 그러나 지구 역사 전반에 걸쳐 이러한 맨틀 영역 사이의 물질 이동 정도는 제대로 이해되지 않았습니다. 대륙 지각 추출은 Ti-안정 동위원소 분류를 통해 동위원소적으로 가벼운 용융 잔류물을 생성합니다3,4,5,6,7. 이러한 구성 요소의 맨틀 재활용은 오랜 시간 추적 가능한 Ti 동위원소 변동성을 부여할 수 있습니다. 우리는 콘드라이트, 38억~20억년 전(Ga)의 고대 육상 맨틀 유래 용암 및 현대 해양 섬 현무암(OIB)에 대한 초고정밀 49Ti/47Ti 비율을 보고합니다. 콘드라이트를 기반으로 한 우리의 새로운 Ti 벌크 규산염 지구(BSE) 추정치는 일반적인 중앙해령 현무암(N-MORB)에 의해 샘플링된 현대 상부 맨틀보다 0.052 ± 0.006‰ 더 무겁습니다. 지구 상부 맨틀의 49Ti/47Ti 비율은 3.5Ga 이전에 콘드리암이었으며 대략 3.5~2.7Ga 사이에서 N-MORB와 유사한 구성으로 진화하여 이 시대에 더 많은 대륙 지각이 추출되었음을 입증합니다. BSE와 N-MORB 사이의 +0.052 ± 0.006‰ 오프셋은 지구 맨틀의 30% 미만이 재활용된 지각 물질과 평형을 이루어야 하며, 이는 상부 맨틀과 하부 맨틀 사이의 제한된 물질 교환을 의미하며, 따라서 원시 하부 맨틀 저수지가 보존됨을 의미합니다. 지구의 지질학적 역사의 대부분. 현대의 OIB는 콘드리암에서 N-MORB 구성에 이르는 가변적인 49Ti/47Ti 비율을 기록하는데, 이는 지구의 원시 맨틀이 계속해서 파괴되고 있음을 나타냅니다. 따라서 상부 맨틀과 하부 맨틀 사이의 높은 물질 이동을 보이는 현대 스타일의 판구조론은 지구 역사의 최근 특징을 나타낼 뿐입니다.

지구형 행성의 강착 역사는 전지구적인 마그마 해양 단계로 구분되며, 이는 행성의 분화와 핵, 맨틀, 지각과 같은 중요한 저장소의 확립으로 이어집니다. 이러한 저수지의 후속 진화와 수정은 행성의 열 및 지구 역학 체제에 실질적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 광물학, 유변학 및 지진 속도에 기초하여, 지구 맨틀의 구조는 상부 맨틀 영역과 하부 맨틀 영역을 분리하는 약 660km의 주요 지진 불연속성을 갖는 층으로 이루어져 있다는 것이 확립되었습니다1,2. 그러나 지질학적 역사 전반에 걸쳐 맨틀 내에서 물질 이동이 어느 정도 발생하는지에 대해서는 여전히 많은 논란이 남아 있습니다. 지진 단층 촬영 데이터에 따르면 섭입된 석판은 하부 맨틀을 관통할 수 있으며, 현재의 물질 교환 속도로 볼 때 지구의 원시 맨틀은 맨틀 규모의 전체 대류가 장기간 지속된 후에도 생존할 수 없을 것으로 예측됩니다8,9,10. 한편, 비활성 가스11,12,13,14,15와 텅스텐16 및 네오디뮴17 동위원소를 기반으로 한 연구에서는 대신 현대 깊은 지구에 원시 맨틀 영역이 존재한다고 제안했습니다. 긴 지질학적 시간 규모에 걸쳐 원시 하부 맨틀 저수지의 보존이 논의되고 있지만 일부 지구 역학 모델은 원시 맨틀 영역의 보존이 깊은 침강을 특징으로 하는 현대 스타일의 전체 맨틀 대류 체제에서 발생할 수 있음을 보여줍니다. 또한, 수치 모델링과 지질학적 관찰21,22,23,24,25은 지구의 대류 체제와 이에 따른 슬래브 침강 스타일도 열 유속 및 열 전달의 변화로 인해 시간이 지남에 따라 상당히 진화했을 수 있음을 시사합니다. 26. 따라서 이 수수께끼에 대한 잠재적인 해결책은 지진 단층촬영을 통해 유추된 상부 맨틀과 하부 맨틀 사이의 높은 물질 이동이 지구 지질사의 상대적으로 최근의 특징이라는 것입니다. 즉, 가스가 덜 배출된 원시 맨틀 저장소가 붕괴되고 있지만 아직 완전히 파괴되지 않았습니다27. 이 가설은 오랜 시간 동안 맨틀과 지각 저장소 사이의 물질 교환을 충실하게 추적할 수 있는 명확한 지구화학적 도구가 부족하기 때문에 완전히 평가되지 않았습니다.

90% Ti from their sources. By contrast, basaltic magmas that form from lower degrees of mantle partial melting (about 5–10%, for example, the approximately 3.8 Ga Isua pillow-textured metabasalts or approximately 3.48 Ga Barberton basaltic komatiites) extract approximately half of the Ti from their sources. Thus, a resolvable difference in δ49Ti is expected between the two types of magma if there is notable Ti isotopic fractionation between silicate melts and melting residues during partial melting of mantle peridotites. However, the comparable δ49Ti values between the approximately 3.8 Ga Isua metabasalts (+0.048 ± 0.005‰, 2 s.e., n = 5), the approximately 3.48 Ga Barberton komatiites (+0.044 ± 0.009‰, 2 s.e., n = 4) to basaltic komatiites (+0.048 ± 0.008‰, 2 s.e., n = 4) and chondrite meteorites (+0.053 ± 0.005‰, 2 s.e., n = 22) suggests that, in agreement with previous inferences based on various lines of evidence3,4,38,39, Ti isotopic fractionation between melts and residues from mantle partial melting is negligible. Thus, the near-zero Δ49Timelt-residue values inferred here suggest that metal-saturated melting with presence of Ti3+ is not relevant to the generation of terrestrial mafic/ultramafic magmas40. Moreover, the limited fractionation of Ti from mantle partial melting on Earth implied by our results supports the hypothesis that the studied mantle-derived rocks faithfully record the δ49Ti composition of their mantle sources. As such, our data suggest that sources of the studied mantle-derived rocks were characterized by chondritic δ49Ti values (δ49Ti = +0.053 ± 0.005‰) around approximately 3.8–3.5 Ga and evolved towards a modern depleted MORB mantle composition (δ49Ti = +0.001 ± 0.005‰) by approximately 2.7 Ga. This secular evolution is observed in both Southwest Greenland and the Kaapvaal Craton and is in line with the lower δ49Ti values observed in the late Archaean mantle-derived rocks from Belingwe, Yilgarn and Abitibi. By comparison, the approximately 2.0 Ga Kangâmiut dykes and modern OIBs were derived from the mantle sources different from the modern depleted MORB mantle reservoir./p>5.80 wt%, except for sample ICE-14-16 with MgO = 5.02 wt%, and (2) the lavas from the same age groups or the same oceanic islands did not show resolvable increase in δ49Ti with decreasing MgO contents (Extended Data Fig. 1b). We also note that some OIB samples contain the earlier crystallized olivine phenocrysts that would lead to much higher MgO contents, which—however—should have negligible effects on the Ti isotopic compositions of the studied samples in a whole-rock-scale owing to the low TiO2 contents in olivine./p>

2.0.CO;2" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1130%2F0091-7613%282001%29029%3C1083%3AMACFBC%3E2.0.CO%3B2" aria-label="Article reference 58" data-doi="10.1130/0091-7613(2001)0292.0.CO;2"Article ADS CAS Google Scholar /p>