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对北极玄武岩中同位素的分析表明，这些岩石可能起源于一个古老的地幔储层，该储层自地球诞生以来一直避免在地球活跃的内部被循环利用。这些原始样本在地球形成后不久（大约 45 亿年前）的幸存，可能为揭示地球的组成和早期地球物理历史提供重要线索。
“我们认为我们已经找到了非常强有力的证据，证明地球地幔中存在一个储层，其年代非常接近地球的年龄，”波士顿大学的地球化学家马修·杰克逊说，他是 8 月 12 日《自然》杂志上新研究的主要作者。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
杰克逊和他的同事们的研究基于对来自格陵兰岛西部和加拿大巴芬岛的火山玄武岩中氦、铅和钕同位素（相同元素但中子数不同的原子）的分析。来自这些地区的玄武岩已被证明具有高氦 3 与氦 4 比率，表明其成分相对原始。“氦 3 是一种原始同位素，”杰克逊说。“它不是在地球内部产生的。”然而，它存在于太阳风中，并被认为是地球原始化学成分的一部分，自那时以来，在火山活动和地质再加工过程中，它一直在以气体的形式逸出。因此，像北极玄武岩这样的岩石，相对于氦 4 保留了大量氦 3，可能自形成以来在很大程度上避免了地质循环。
但杰克逊说，直到最近，地球化学家们还认为，岩石的钕同位素比率与球粒陨石（含颗粒）中原始太阳系物质的钕同位素比率不符，这意味着这些样本经历过熔融过程，因此不代表原始的地球物质。但是2005 年发表在《科学》杂志上的一项研究表明，地球形成后不到 3000 万年的早期分异——行星体分离成地壳和地幔等层——可以解释具有非球粒陨石成分的古老岩石。“2005 年的论文暗示了钕含量应该是怎样的，而这正是我们发现的，”杰克逊说。
或者，地球的整体成分可能 просто 与球粒陨石不同。无论哪种方式，真正的原始岩石都将通过铅同位素来确定年代，铅同位素对再加工物质的污染极其敏感，大约在 45 亿年前，正好是地球形成的时候。但杰克逊说，到目前为止，还没有任何样本具有合适的铅成分来匹配地球地幔的古老储层——直到现在。
“我们第一次发现熔岩具有高氦 3 与氦 4 比率，根据 2005 年的发现，钕含量也正确，并且它们在地质年代线上标绘出来，”杰克逊说，他指的是基于铅同位素比率的地质年代测定方案。这意味着这些熔岩在大约 6000 万年前喷发——在地质时间上相对较近——在喷发时是未混合的、未加工的地幔。“我们知道这个地幔在地球历史上幸存了 98.5% 的时间，”他补充道。
氦和铅的联系是这项新研究的关键组成部分，华盛顿特区卡内基科学研究所地球磁学系的地球化学家埃里克·豪里说，他没有参与这项新研究。这两种元素都具有从相同母体元素铀衰变而来的同位素，但地质过程会破坏氦和铅之间的平衡。“当幔储层在地球中循环，并在地表附近熔化并与其他储层混合时，它们的氦和铅系统可能会彼此分离，”他说。两种同位素测量结果的一致性很好地预示了作者的论点，即玄武岩代表着长期未受污染的地幔囊袋。
“这确实是我们第一次在同一个储层中同时识别出原始氦和[原始]铅，”豪里说。“这就是使其成为一项真正独特的发现的原因。”