An ancient, deep, and ultra-depleted mantle domain beneath the northern Atlantic Ocean

技術要約：北大西洋の下に存在する、古く、深く、極度に枯渇したマントル・ドメイン

問題提起
地球のマントルは化学的に不均質であり、アフリカの富化されたマントル・ドメインと太平洋の枯渇したマントル・ドメインという、一次的な東西の二分性を特徴としている。地殻の再循環がアフリカの富化ドメインの要因であることは広く受け入れられているが、枯渇したマントル残渣の性質、分布、および起源については、依然として理解が進んでいない。従来のモデルでは、枯渇した上部マントルは比較的均質な貯蔵庫として扱われているが、アビサル（深海）ペリドットタイトの証拠は、独特の同位体シグネチャー（例：高い$^{176}\text{Hf}/^{177}\text{Hf}$）を持つ「極度に枯渇した（ultra-depleted）」成分の存在を示唆している。しかし、極度に枯渇したドメインの全球的な分布は、乏しいペリドットタイトのサンプリングによって制約を受けており、海洋玄武岩とペリドットタイトの間で見られる系統的なHf同位体の不一致を生じさせるメカニズムは謎のままである。

手法
本研究は、海洋玄武岩（MORB、OIB、OPB）およびアビサル・ペリドットタイトの全球的な地球化学データセットを統合し、全球的なマントル枯渇フレームワークを再構築する。

1. 地球化学的コンピレーション: 著者らは、全球的な中央海嶺および海嶺近傍のホットスポットから、同位体（Nd, Hf, Sr, Pb）および元素データを収集した。特に、枯渇したマントル成分に対して敏感なHf同位体に重点を置いた。
2. 統計モデリング: 「Hf同位体のパラドックス」（アビサル・ペリドットタイトが共生するMORBよりも高い$\varepsilon\text{Hf}$を示す現象）を解決するため、著者らはモンテカルロ法を用いた統計的マントルモデルを開発した。このモデルは、様々な枯脱程度と年代の下でマントル組成をシミュレートする。
   • 入力パラメータ: モデルは、アビサル・ペリドットタイトの$^{147}\text{Sm}/^{144}\text{Nd}$比に適合させたJohnson-SU分布を利用して、枯渇したマントルの集合体を表現する。
   • シナリオ: 3つの異なる枯渇シナリオをテストした：
     • シナリオ I: スピネル・ペリドットタイト領域内での浅部での枯渇のみ。
     • シナリオ II: スピネルおよびガーネット・ペリドットタイトの残渣の割合が変化する、より深い場所での枯渇。
     • シナリオ III: 古代の海洋リソスフェアの再循環と、それに続く浅部での溶融の二段階の履歴。
3. 混合モデル: シミュレーションには、マントル集合体（800 Maまたはそれ以前に形成されたもの）と、わずかな再循環海洋地殻成分との間の混合が含まれており、観測された同位体配列を再現している。

主な結果

1. 北大西洋における極度に枯渇したマントル（UDM）ドメインの特定: 解析により、北大西洋（アゾレス・アイスランド地域から北方のクニポヴィッチ海嶺まで）の下に、明確な地球化学的ドメインが存在することが明らかになった。このドメインは以下の特徴を持つ：
   • 高い$\varepsilon\text{Nd}$および正の$\Delta\varepsilon\text{Hf}$（地球の配列よりも上にプロットされる）。
   • 富化されたドメインと比較して、系統的に低い$^{87}\text{Sr}/^{86}\text{Sr}$および$^{208}\text{Pb}^*/^{206}\text{Pb}^*$。
   • 枯渇した主要元素および不適合元素組成（例：同等の$\text{MgO}$に対して低い$\text{TiO}_2$および$\text{Na}_2\text{O}$）。これは、クリノピキシー（単斜輝石）に乏しいペリドットタイトであることを示している。
   • これらのシグネチャーは、プルーム中心から1000 km以上の距離にわたって持続しており、局所的なプルーム溶融ではなく、広範なソースであることを示唆している。
2. 異なる枯渇履歴:
   • 北大西洋（UDM）: モデルは、このドメインが、通常の海嶺（MOR）溶融よりも深い場所（ガーネット・ペリドットタイトの安定領域を含む）での高程度の溶融によって形成された、古代（$\ge 800$ Ma）の極度に枯渇したマントル集合体を必要とすることを示している。
   • 太平洋（枯渇域）: 対照的に、枯渇した太平洋ドメインは、古代の再循環海洋リソスフェアの履歴と、それに続く海嶺における漸進的な浅部溶融を反映している。
3. Hf同位体パラドックスの解決: 統計モデルは、MORBとペリドットタイトの間の系統的なオフセットが、異なる枯渇履歴によって説明できることを示している。UDMドメインの高い$\varepsilon\text{Hf}$は古代の深い溶融イベントと一致しており、太平洋ドメインの負の$\Delta\text{Hf}$は、再循環リソスフェアの浅部かつ漸進的な枯渇と一致している。

意義および主張
本論文は、北大西洋の下にある極度に枯渇したマントル（UDM）ドメインが、下部マントルへと再循環され、そこに保存された古代のマントルプルームの残渣であることを提案している。これらの残渣は、新生代のマントルプルーム（アイスランド、アゾレスなど）によって地表へと再動員されたと考えられる。

著者らは、この発見が以下の事項に影響を与えると主張している：

• マントル構造: 枯渇したマントルを均質とみなす見解に異議を唱え、異なる枯渇履歴（深部 vs 浅部、古代 vs 漸進的）がマントルの組成構造に大きく寄与していることを示唆している。
• 地球ダイナミクス進化: 下部マントルにおける古代の、浮力のある、クリノピキシーに乏しいペリドットタイトの存在は、マントルプルームの異常な浮力と上昇フラックスを説明する一助となる可能性がある。
• 深遠な時間の保存: 本研究は、古代のマントル残渣（潜在的にはハデアン〜始生代の年代を持つ）が数十億年にわたって下部マントル内で生存し、地球の長期的な化学的不均質性に寄与し得ることを示唆している。

著者らは、UDMのシグネチャーは他のプルームシステム（マリオン・ライズ、シエラレオン、ハワイなど）にも存在する可能性があるが、それらは富化された成分によってしばしば覆い隠されていることを明記しており、地球の地球ダイナミクス進化のモデルにおいて、古代の枯渇成分を考慮する必要性を強調している。