チタン同位体によって記録された地球の進化する地球力学体制

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地球のマントルは 2 層構造をしており、上部マントル領域と下部マントル領域は約 660 km の地震断絶によって分離されています (参考文献 1、2)。しかし、地球の歴史を通じてこれらのマントル領域間の物質移動の程度はよくわかっていません。大陸地殻の抽出により、Ti 安定同位体分別が行われ、同位体で軽融解する残留物が生成されます 3、4、5、6、7。これらの成分のマントルリサイクルにより、深い時間で追跡可能な Ti 同位体変動が得られます。私たちは、コンドライト、38 億年から 20 億年前の古代地球マントル由来の溶岩 (Ga)、および現代の海洋島玄武岩 (OIB) の超高精度 49Ti/47Ti 比を報告します。コンドライトに基づく我々の新しいチタンバルクケイ酸塩地球 (BSE) の推定値は、通常の中央海嶺玄武岩 (N-MORB) によって採取された現代の上部マントルより 0.052 ± 0.006 パーセント重いです。地球の上部マントルの 49Ti/47Ti 比は、3.5 Ga より前はコンドライトでしたが、約 3.5 ～ 2.7 Ga の間で N-MORB のような組成に進化し、この時代により多くの大陸地殻が抽出されたことが確立されました。 BSE と N-MORB の間の +0.052 ± 0.006 パーセントのオフセットは、地球のマントルの 30% 未満がリサイクルされた地殻物質で平衡することを必要とし、上部マントルと下部マントルの間の物質交換が限られていること、したがって、原始的な下部マントル貯留層が保存されていることを意味します。地球の地質史の大部分。現代の OIB は、コンドライト組成から N-MORB 組成に至るまでさまざまな 49Ti/47Ti 比を記録しており、地球の原始マントルの破壊が続いていることを示しています。したがって、上部マントルと下部マントルの間の高い物質移動を伴う現代型のプレートテクトニクスは、地球の歴史の最近の特徴を表しているにすぎません。

地球型惑星の降着の歴史は、地球規模のマグマオーシャン段階によって中断され、これが惑星の分化と、核、マントル、地殻などの重要な貯留層の確立につながります。これらの貯留層のその後の進化と変化は、惑星の熱状態と地球力学状態に大きな影響を与える可能性があります。鉱物学、レオロジー、地震波速度に基づいて、地球のマントルの構造は、上部マントル領域と下部マントル領域を分離する約 660 km の主要な地震的不連続部で層状になっていることが確立されています 1,2。しかし、地質史を通じてマントル内で物質移動がどの程度起こるかについては、依然として議論が続いている。地震トモグラフィーのデータは、沈み込んだスラブが下部マントルに侵入する可能性があることを示唆しており、現在の物質交換速度では、地球の原始マントルは長期にわたるマントル規模の対流全体の後に存続すると予測されていない8,9,10。一方、希ガス11、12、13、14、15、ならびにタングステン16およびネオジム17同位体に基づく研究は、代わりに現代の地球深部に原始マントルドメインが存在することを示唆しています。長い地質学的時間スケールにわたる原始下部マントル貯留層の保存については議論がなされているが 18,19 、いくつかの地球力学モデルは、深い沈み込みを特徴とする現代型のマントル全体対流体制において原始マントル領域の保存が起こり得ることを示している 20。また、数値モデリングと地質学的観測の両方 21、22、23、24、25 は、地球の対流形態、つまりスラブの沈み込みスタイルも、熱流束と熱伝達の変化の結果として時間の経過とともに大幅に進化した可能性があることを示唆しています 25。 26. したがって、この難題に対する潜在的な解決策は、地震トモグラフィーから推測される上部マントルと下部マントルの間の高い物質移動は、地球の地質史の比較的最近の特徴であり、原始的な脱ガスの少ない下部マントル貯留層が破壊を受けているということであるが、まだ完全には破壊されていない27。マントルと地殻の貯留層の間の物質交換を深い時間で忠実に追跡できる明確な地球化学ツールが存在しないため、この仮説は十分に評価されていません。

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>