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對北極玄武岩中同位素的分析表明，這些岩石可能起源於一個古老的地幔儲層，該儲層自地球誕生以來一直避免在地球活躍的內部被迴圈利用。這些原始樣本在地球形成後不久（大約 45 億年前）的倖存，可能為揭示地球的組成和早期地球物理歷史提供重要線索。
“我們認為我們已經找到了非常強有力的證據，證明地球地幔中存在一個儲層，其年代非常接近地球的年齡，”波士頓大學的地球化學家馬修·傑克遜說，他是 8 月 12 日《自然》雜誌上新研究的主要作者。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
傑克遜和他的同事們的研究基於對來自格陵蘭島西部和加拿大巴芬島的火山玄武岩中氦、鉛和釹同位素（相同元素但中子數不同的原子）的分析。來自這些地區的玄武岩已被證明具有高氦 3 與氦 4 比率，表明其成分相對原始。“氦 3 是一種原始同位素，”傑克遜說。“它不是在地球內部產生的。”然而，它存在於太陽風中，並被認為是地球原始化學成分的一部分，自那時以來，在火山活動和地質再加工過程中，它一直在以氣體的形式逸出。因此，像北極玄武岩這樣的岩石，相對於氦 4 保留了大量氦 3，可能自形成以來在很大程度上避免了地質迴圈。
但傑克遜說，直到最近，地球化學家們還認為，岩石的釹同位素比率與球粒隕石（含顆粒）中原始太陽系物質的釹同位素比率不符，這意味著這些樣本經歷過熔融過程，因此不代表原始的地球物質。但是2005 年發表在《科學》雜誌上的一項研究表明，地球形成後不到 3000 萬年的早期分異——行星體分離成地殼和地幔等層——可以解釋具有非球粒隕石成分的古老岩石。“2005 年的論文暗示了釹含量應該是怎樣的，而這正是我們發現的，”傑克遜說。
或者，地球的整體成分可能 просто 與球粒隕石不同。無論哪種方式，真正的原始岩石都將透過鉛同位素來確定年代，鉛同位素對再加工物質的汙染極其敏感，大約在 45 億年前，正好是地球形成的時候。但傑克遜說，到目前為止，還沒有任何樣本具有合適的鉛成分來匹配地球地幔的古老儲層——直到現在。
“我們第一次發現熔岩具有高氦 3 與氦 4 比率，根據 2005 年的發現，釹含量也正確，並且它們在地質年代線上標繪出來，”傑克遜說，他指的是基於鉛同位素比率的地質年代測定方案。這意味著這些熔岩在大約 6000 萬年前噴發——在地質時間上相對較近——在噴發時是未混合的、未加工的地幔。“我們知道這個地幔在地球歷史上倖存了 98.5% 的時間，”他補充道。
氦和鉛的聯絡是這項新研究的關鍵組成部分，華盛頓特區卡內基科學研究所地球磁學系的地球化學家埃裡克·豪裡說，他沒有參與這項新研究。這兩種元素都具有從相同母體元素鈾衰變而來的同位素，但地質過程會破壞氦和鉛之間的平衡。“當幔儲層在地球中迴圈，並在地表附近熔化並與其他儲層混合時，它們的氦和鉛系統可能會彼此分離，”他說。兩種同位素測量結果的一致性很好地預示了作者的論點，即玄武岩代表著長期未受汙染的地幔囊袋。
“這確實是我們第一次在同一個儲層中同時識別出原始氦和[原始]鉛，”豪裡說。“這就是使其成為一項真正獨特的發現的原因。”