近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳忠慶教授團隊在早期地球與地磁場演化方面取得重要進展。相關(guān)成果以“Water-Induced Mantle Overturn Explains High Archean Paleointensities”為題，發(fā)表在國際頂級期刊National Science Review（《國家科學(xué)評論》，NSR）。

該研究發(fā)現(xiàn)地幔倒轉(zhuǎn)期間核幔邊界冷卻加速，從而增強了核幔邊界熱流和地磁場。這意味著地幔倒轉(zhuǎn)事件不僅能夠解釋太古宙大陸集中出現(xiàn)及太古宙前后全球性巖性轉(zhuǎn)變等現(xiàn)象，還為太古宙的強磁場提供了合理機制。

1

太古宙異常強磁場難以解釋

多項古地磁研究一致顯示地磁場強度在~35億年開始增強，直到~25億年重新衰減回低值。傳統(tǒng)的地磁場理論難以解釋這一現(xiàn)象：

1）由高電導(dǎo)率的巖漿洋對流產(chǎn)生的磁場應(yīng)該從45億年開始逐漸衰減，并且地球自轉(zhuǎn)會顯著降低巖漿洋對流速度，巖漿洋發(fā)電機能否真正啟動仍存在爭議。

2）地核頂部輕元素的析出可以通過熱化學(xué)對流增強地磁發(fā)電機，但輕元素的析出時間和速率仍存在很大的不確定性。

2

水誘導(dǎo)的地幔倒轉(zhuǎn)

形成月球的撞擊可能融化了整個地幔，導(dǎo)致了全球性的巖漿洋。高壓領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)巖漿洋是從地幔中部開始結(jié)晶的，從而將其分隔形成了基底巖漿洋和外部巖漿洋。吳忠慶教授團隊提出，隨著基底巖漿洋的進一步冷卻和結(jié)晶，那些不易進入固體的水逐漸在基底巖漿洋中富集，使其密度下降并變得不穩(wěn)定。最終，這一富水巖漿洋在太古宙末期快速上涌，觸發(fā)了地幔倒轉(zhuǎn)事件(Wu et al., 2023)。熾熱且富水的上涌巖漿不僅為太古宙大陸的形成提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)與形成條件，還為多種看似獨立的地質(zhì)觀測現(xiàn)象提供了統(tǒng)一的解釋，例如巖石特性在太古宙前后的全球性變化、大火成巖省的廣泛發(fā)育(Wu, 2024; Wu and Zhao, 2022)。

3

地幔倒轉(zhuǎn)加速核幔邊界冷卻，增強核幔邊界熱流和磁場強度

地幔倒轉(zhuǎn)過程中，基底巖漿洋的上涌中將熱量從核幔邊界迅速傳輸至淺部。由于大陸生長記錄反映了深部巖漿的上涌歷史，該研究參考大陸的生長曲線估算了基底巖漿洋厚度的變化，并結(jié)合巖漿洋固相線和絕熱線的關(guān)系建立了核幔邊界熱演化模型。結(jié)果顯示，地幔倒轉(zhuǎn)期間核幔邊界的溫度快速下降，從而導(dǎo)致了核幔邊界熱流的增加，而地磁發(fā)電機強度對該熱流值十分敏感。參數(shù)化的發(fā)電機模型表明，由地幔倒轉(zhuǎn)導(dǎo)致的核幔邊界高熱流可以顯著增強地磁場強度。

圖1. (a) 基底巖漿洋厚度演化；(b)核幔邊界冷卻歷史。

圖2. 地幔倒轉(zhuǎn)期間核幔邊界冷卻速率。(a) 平均絕對冷卻速率；(b) 最大絕對冷卻速率；(c) 平均相對冷卻速率；(d) 最大相對冷卻速率。

圖3. 核幔邊界熱流及虛擬偶極矩（表征地磁場強度）的演化。(a), (c)代表低放射性能量貢獻；(b), (d)代表高放射性能量貢獻。(e), (f)表示不同參數(shù)下虛擬偶極矩的演化。

4

地幔倒轉(zhuǎn)自然地解釋了3.5–2.5 Ga的異常強磁場

太古宙強磁場的演化主要受到巖漿洋壽命，地幔倒轉(zhuǎn)前的地核冷卻速度和地核絕熱熱流控制。雖然目前地核絕熱熱流的約束很差，但無論是采用報道的最低數(shù)值3 TW，還是最高數(shù)值28 TW。都可以在合理的模型參數(shù)范圍內(nèi)來復(fù)現(xiàn)太古宙地磁場強度觀測，通常來說更高的熱流值需要更高的冷卻速度，并傾向于更小的巖漿洋壽命。當巖漿洋壽命為~2.3 Gyr時，無論絕熱熱流取何值，考慮地幔倒轉(zhuǎn)的地磁發(fā)電機模型都可以很好地吻合觀測。國際著名古地磁學(xué)家 John A. Tarduno 教授指出，理論模型與太古宙古地磁強度觀測相互獨立卻取得了高度一致結(jié)果，成功表明觀測數(shù)據(jù)和理論模型的可靠性。該研究為理解地磁發(fā)電機和地幔演化提供了重要線索。

圖4. 圖(a)-(e)以及(k-o)表示虛擬偶極矩（表征地磁場強度）的演化；圖(f)-(j)以及(p-t)表示模型和古地磁記錄的偏差。藍色為本研究的結(jié)果，符號來源于 Tarduno 等人的匯編數(shù)據(jù)，紅色線條為最新古地磁數(shù)據(jù)庫的蒙特卡洛平均。

圖5. 地幔倒轉(zhuǎn)示意圖。在地幔倒轉(zhuǎn)過程中，大規(guī)模熱柱上涌至地表，促進太古宙大陸的形成；與此同時，隨著基底巖漿洋被移除，核幔邊界溫度迅速下降，從而顯著增強當時的地磁發(fā)電機。地幔倒轉(zhuǎn)結(jié)束后，核幔邊界和地核恢復(fù)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

展望

水誘導(dǎo)的地幔倒轉(zhuǎn)持續(xù)了數(shù)十億年，并涉及整個地幔。地幔倒轉(zhuǎn)在時間和空間尺度上都與板塊構(gòu)造具有可比性，但我們對地幔倒轉(zhuǎn)的許多方面仍知之甚少。地幔倒轉(zhuǎn)對早期地球產(chǎn)生了多方面的影響，例如太古宙大陸的形成以及古地磁場的演化，這些影響對于約束地幔倒轉(zhuǎn)過程具有重要意義。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授為該論文的通訊作者，博士生王冬為第一作者。

該研究受到國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計劃項目(42350004)和國家杰出青年科學(xué)基金(41925017)資助，部分計算在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級計算中心和合肥先進計算中心完成。

【參考文獻】

Wu, Z. (2024). Water Induced Mantle Overturn and Origin of the Archean Crust.

Advances in Earth Science

39

Wu, Z., Song, J., Zhao, G., & Pan, Z. (2023). Water-Induced Mantle Overturns Leading to the Origins of Archean Continents and Subcontinental Lithospheric Mantle.

GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS

50

Wu, Z., & Zhao, G. (2022). Hydrous plumes in the Archean and the origin of continents.

Science Bulletin

67

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf578

（本文編輯：劉四旦）

專業(yè)品質(zhì) 學(xué)術(shù)價值

原創(chuàng)好讀 科學(xué)品位

一起閱讀科學(xué)