中国科大揭示地球深部氢同位素异常新机制：地核可能持续向地幔输送物质

近日，我院王文忠特任教授团队通过第一性原理计算与机器学习相结合的方法，首次系统揭示了早期地球岩浆洋结晶过程中的氢同位素分馏规律。研究发现，岩浆洋结晶无法形成现代部分洋岛玄武岩中所记录的极端贫氘地幔储库，进一步支持了地核物质可能长期向地幔输送的观点。相关成果以“Hydrogen isotopes reveal water leakage from the core”为题发表于国际学术期刊《Science Advances》。

地球深部是否仍保存着45亿年前形成时的原始物质，以及地核与地幔在漫长地质历史中是否始终相互隔离，是认识地球形成、内部圈层分异及长期演化的重要科学问题。地球形成初期，金属铁与硅酸盐物质发生大规模分异，分别形成地核和地幔。此后，地球内部经历了数十亿年的对流和物质循环。然而，地球深部是否仍保存着形成初期的原始物质，以及地核与地幔之间是否持续发生物质交换，至今仍存在重要争议。

洋岛玄武岩（OIB）为探索这些问题提供了重要窗口。部分洋岛玄武岩被认为来源于地球深部的地幔柱，能够携带深部地幔的地球化学信息。近年来，研究人员在一些洋岛玄武岩中发现了一系列不同于普通地幔的同位素异常，包括显著偏低的氘氢比（D/H）、异常偏高的氦同位素比值（3He/4He）以及负的钨同位素异常。这些信号究竟是地球形成初期遗留下来的“原始指纹”，还是地核物质在漫长地质历史中持续改造深部地幔的结果，一直存在争议。

氢同位素为区分这两种机制提供了重要线索。研究团队此前发现，在早期地球核幔分异过程中，较轻的氢同位素更倾向于进入金属地核，使地核相对于地幔更加贫氘，因此地核可能是现代部分洋岛玄武岩中低D/H信号的重要来源。然而，早期地球还经历了全球性岩浆洋的冷却与结晶。如果这一过程也能够形成贫氘的深部地幔储库，那么现代观测到的异常就不一定需要地核贡献。因此，岩浆洋结晶能否形成极端贫氘的深部地幔，成为区分两种机制的关键。

回答这一问题长期面临技术挑战。早期岩浆洋具有极端高温高压条件，直接测定矿物与熔体之间的氢同位素分馏十分困难。同时，氢具有显著的核量子效应，传统模拟方法难以准确描述其同位素行为。为此，研究团队将第一性原理计算、机器学习势函数与路径积分分子动力学相结合，在保持量子力学计算精度的同时大幅提高计算效率，实现了对复杂地幔矿物和硅酸盐熔体中氢同位素分馏的系统研究。

研究发现，在岩浆洋的极端高温条件下，主要地幔矿物与硅酸盐熔体之间的氢同位素分馏总体较弱（图1）。进一步结合岩浆洋结晶模型发现，即使经历全球规模的岩浆洋结晶，最终形成的原始地幔仍保持近乎均一的氢同位素组成（图2）。其中，下地幔的氢同位素组成仅比初始岩浆洋低约3‰，远不足以解释现代部分洋岛玄武岩中观测到的极端贫氘特征。这一结论在不同岩浆洋结晶条件下均保持稳定，表明岩浆洋结晶本身难以形成极端贫氘的深部储库。

图1地幔主要矿物与硅酸盐熔体之间的氢同位素分馏

图2岩浆洋结晶后原始地幔的氢同位素组成

这一发现为理解地球深部同位素异常的来源提供了新的约束。既然岩浆洋结晶无法产生极端贫氘储库，那么现代部分洋岛玄武岩中的低D/H信号就需要寻找其他来源。结合此前研究，地核不仅可能具有较低的D/H，还可能保存原始氦及特殊的钨同位素组成。因此，地核物质向地幔的输送，能够在同一框架下解释部分洋岛玄武岩中同时出现的低D/H、高3He/4He和负182W异常，为核幔之间长期存在物质交换提供了新的支持。

图3地核物质参与深部地幔演化的可能机制

这项研究不仅揭示了地球早期岩浆洋结晶过程中氢同位素演化的基本规律，也为重新认识地球深部同位素异常的来源提供了新的视角。 现代深部地幔中的特殊同位素信号，可能并非单纯保存了45亿年前的“原始指纹”，还可能记录了地核与地幔在数十亿年地球演化历史中的持续相互作用。

中国科学技术大学为论文第一单位，学院张瑜博士为本论文第一作者，王文忠教授为通讯作者，合作者包括吴忠庆教授和陈博文特任副研究员。该研究得到国家自然科学基金和中央高校基本科研专项资金的支持。