地球形成最初的十億年是地質歷史上最為撲朔迷離的一個時期。地球早期的高熱流環境，強烈的隕石轟擊，以及複雜的變質變形作用的疊加，使得諸多關鍵地質記錄殘缺不全。而與此相關的早期地殼-地幔的性質、地球早期的構造體制等問題仍然是現今地球科學領域的基礎問題。從地球化學角度而言，矽酸巖地球由原始地幔、虧損地幔和陸殼三個儲庫組成，其中虧損地幔是原始地幔部分熔融、熔體抽取形成地殼之後的殘餘。如果地球早期確實有大量陸殼的存在，那麼勢必會造成地幔的強烈虧損。近十年來，不同學者依據不同的地球化學指標推測，相當於現今大陸地殼40%-100%的規模在38億年前就已經形成，但是奇怪的是，38億年前的鋯石記錄中並未發現有可信的Lu-Hf同位素虧損的證據，即從鋯石Lu-Hf同位素角度而言，地球早期的地幔仍呈原始地幔的特徵，這也意味著，地球早期不可能有大量陸殼的存在。為解決上述矛盾，中科院地質與地球物理研究所岩石圈演化國家重點實驗室劉鵬副研究員及其合作者郭敬輝、Ross Mitchell、李獻華、翟明國等對華北克拉通東部的曹莊鉻雲母石英巖進行了鋯石的U-Pb年齡與Hf-O同位素的研究。
圖1 全球性地幔虧損始於何時仍存爭議。近些年來Christopher Fisher, Jeffrey Vervoort等認為虧損地幔演化的起點在3.8Ga
研究人員發現，在經嚴格篩選得到的碎屑鋯石中，約37%具有高於球粒隕石的Hf同位素組成，但在總體上仍大致分佈於球粒隕石演化線兩側。這與全球古老鋯石的Hf同位素成分類似，似乎表明鋯石Hf同位素的確不支援地球早期有虧損地幔的存在。可是需要注意的是，儘管鋯石長久以來被視作示蹤早期地殼演化的最可信賴的礦物，但過去的研究中即便以最完好的鋯石為研究物件，仍不可避免地忽視了鋯石自身所帶來的偏差和早期構造環境的影響。
絕大多數始太古代-冥古宙的鋯石都是來自於TTG（英雲閃長巖-奧長花崗岩-花崗閃長巖）岩石。地球化學和實驗岩石學證據表明，TTG通常由富集的鎂鐵質源區分異而來，那麼利用這些鋯石所得到的地幔源區的成分也自然應該是富集地幔的特徵。實際上，對全球TTG的微量元素和同位素資料的統計也證實了這一點：即TTG的原巖所對應的地幔源區也應是未分異的。虧損源區不容易形成TTG，自然不容易被TTG中的鋯石所記錄。
此外，基於鋯石Hf同位素反演地幔源區的同位素特徵，其中的一個重要假設是，這些鋯石所賦存的地殼具有非常短的居留年齡，即岩漿從地幔分離出來之後，其Lu-Hf同位素未經長期演化，就很快被鋯石記錄下來。但是不同於現今殼幔強烈相互作用的俯衝構造體制。
圖2 不同於現今的俯衝構造體制，在冥古宙-始太古代，鎂鐵質岩石常可以儲存幾億年，甚至超過10億年，因而鋯石εHf會顯著低估地幔的真實同位素組成
圖3 全球鋯石資料彙總顯示鋯石Hf同位素在3.8Ga前並未顯示虧損特徵，但考慮到鋯石自身所帶來的偏差和地球早期構造環境的影響，這反而意味著虧損地幔此時已廣泛存在
在遲滯蓋層體制主導的冥古宙-始太古代，鎂鐵質岩石常常可以在封閉體系下儲存幾億年，甚至超過10億年，如果採用平均鎂鐵質地殼成分（176Lu/177Hf=0.022）來計算，其εHf值平均每一億年會低估0.8ε。因此，始太古代-冥古宙大多數鋯石所反映的球粒隕石特徵，應當被視作是地幔源區的最小值，即地幔真實值應該普遍高於球粒隕石。
更為直接的證據可能來自於鎂鐵質-超鎂鐵質岩石。西格陵蘭和Isua綠巖帶等古老地體均發育有虧損-超虧損的橄欖岩、玄武岩等岩石記錄。而諸如142Nd同位素和Mo同位素等的研究則揭示了更早期的地幔不均一性的存在。綜合這些岩石學和地球化學證據，以及本文的研究，研究人員得出結論：地球早期（4.4-3.8Ga）球粒隕石質的鋯石Hf同位素組成，反而意味著此時全球性地幔虧損已經普遍存在。
研究成果發表於地球化學領域國際學術期刊Geochimica et Cosmochimica Acta（劉鵬，郭敬輝, Ross Mitchell, Christopher Spencer, 李獻華, 翟明國, Noreen Evans, 李豔廣, Bradley McDonald, 靳夢琪. Zircons underestimate mantle depletion of early Earth [J] Geochimica et Cosmochimica Acta, 2021. DOI: 10.1016/j.gca.2021.11.015）。
美編：陳菲菲
校對：周星星 劉淇郡
