中国科大李云国研究员利用稀有气体同位素揭示地球深部结构取得新进展

中国科学技术大学高温高压岩石学课题组李云国研究员与伦敦大学学院Lidunka Vočadlo教授、John Brodholt教授和牛津大学 Chris Ballentine教授合作，在研究核幔分离过程中发现稀有气体的强分异特性，对地球深部结构和早期地球演化过程提出新的认识，相关成果发表在国际综合学术期刊《自然·通讯》上.

地球各圈层的演化本质上是不可分割的，对影响人类宜居性的许多地质活动的理解和预测需要建立在对地球系统性演化的认知基础上。大气演化、板块运动、地震、火山和成矿等各种对人类宜居环境至关重要的地质活动源于地球内部物质和能量的传递，因此地球内部的状态及运行机制是理解地球的过去与未来的基础。

图1、洋岛玄武岩（OIB）和洋中脊玄武岩（MORB）中的³He/⁴He比值。

稀有气体具有独特的化学惰性，在地质演变过程中几乎不发生分馏，这就为追溯地球物质来源、各圈层和区域长期演化过程提供了一个绝佳的工具。洋岛玄武岩代表下地幔源区成分，其呈现出的原始稀有气体同位素特征（太阳系原始星云成分）证明地球深部存在未充分去气的原始挥发分储库（见图1）。该储库的位置和状态可以锚定地球深部的演化过程。李云国研究员基于熔体的构效关系建立了微量元素在熔体间的分配模型，发现稀有气体氦和氖在核幔分离过程中存在极强的分异效应，导致地核中的氦含量高于氖三个数量级（见图2），证明地核不是地球化学观测所看到的原始挥发分储库，并论证下地幔存在一个原始挥发分的储库。这项工作推动了对地球深部结构的认知，为进一步研究下地幔精细结构奠定基础。

图2 、稀有气体（X表示He、Ne、Ar、Kr和Xe）在铁和硅酸盐熔体间的配分系数与键长之间的关系。横坐标为Mg-X键与Mg-O键长度的比值。实心点和方块为第一性原理热力学数据，虚线为微量元素配分模型拟合数据。

李云国研究员为文章第一和唯一通讯作者，本课题得到了英国环境研究学会和国家自然科学基金（42173040）的支持。同时，中国科学技术大学超级计算中心为本研究提供了高性能计算支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31588-7