科學通報 | 地核出溶混染基底巖漿洋與深部地幔不均一性的成因

在我們腳下 2900?km 的地幔最深處, 并非一片沉寂. 那里隱藏著兩個巨大的謎團——位于非洲大陸和太平洋板塊下方的大型低波速省(LLVPs) [1] . 如同地震波給地球做CT掃描時發現的模糊陰影, 這些區域的地震波速異常偏低, 同時還散布著一些波速極低的“斑塊”(超低速區, ULVZs). 它們是什么? 從何而來? 又如何經歷數十億年而不被地幔對流徹底攪勻? 這些問題一直困擾著地球科學家.

一個經典模型認為, 在地球形成初期, 遭受巨大撞擊(如月球形成的大撞擊事件)后, 全球曾處于熔融狀態, 形成了一個深達地幔底部的巖漿洋. 隨著地球的冷卻固化, 重物質下沉, 輕物質上浮. 在地幔最底部, 可能殘留過一個基底巖漿洋(BMO) [2] . 它的結晶分異可以產生富鐵的致密物質, 這些物質堆積起來, 就可能形成了今天我們看到的LLVPs [3] .

然而, 這個看似完美的故事卻有一個致命的破綻. 熱力學相平衡計算表明, 由于液相線礦物布里奇曼石優先結晶, BMO在凝固過程中會迅速消耗硅酸鹽熔體中的硅, 最終形成一個約 1000?km 厚的底層, 該層含有約20 wt%的鐵方鎂石 [4] . 但地震層析成像卻告訴我們, 地幔底部的鐵方鎂石含量遠低于此 [5] . 如果LLVPs真的來自古老的BMO, 那么就必須存在某種機制, 抑制了大量鐵方鎂石的形成.

我們的研究為此提供了一個可能的解決方案, 其靈感來自另一個前沿領域: 地核的演化. 地核并非一成不變. 隨著地球的冷卻, 地核中溶解的輕質元素(如氧、硅、鎂等)會達到飽和, 并以氧化物的形式析出 [6] . 這一過程就是地核出溶. 由于氧化鎂和二氧化硅的密度遠遠小于液態地核的密度, 這些氧化物出溶體會向核幔邊界運移和聚集. 如果此時上覆地幔已經冷凝固結, 出溶體在核幔邊界不斷堆積, 最終會以底辟的形式向上刺穿地幔數百公里 [7] . 而如果地幔底部仍然存在一個液態的BMO, 出溶體將進入BMO并迅速溶解. 冷卻中的地核就這樣源源不斷地向BMO供給氧化鎂和二氧化硅. 我們將這個模式稱為“地核出溶混染巖漿洋”(BECMO), 其包含了BMO的凝固和地核物質的出溶這兩個關鍵過程.

通過熱力學模擬, 我們對比了傳統BMO和BECMO的固結和分異過程. 對于傳統的BMO模型, 巖漿洋固結時, 首先結晶的是布里奇曼石. 它會大量消耗熔體中的硅, 導致殘余熔體極度富鐵, 最終結晶形成巨厚的富鐵方鎂石的致密層. 而地核出溶物質的加入徹底改變了BMO的成分和結晶礦物組成. 由于地核中硅的豐度遠高于鎂, 且二氧化硅析出的熱力學驅動力比氧化鎂更強, 導致二氧化硅從地核中的出溶速率和總量都遠遠超過氧化鎂. 因此, BMO中因布里奇曼石結晶而消耗的硅得到了來自地核的持續補充. 這強烈抑制了鐵方鎂石的大量結晶, 使得BECMO結晶的產物轉變為以布里奇曼石和賽石英為主的礦物組合 [8] . 與傳統的BMO模型預測的極高鐵方鎂石含量相比, 該層的鐵被有效稀釋, 其密度遠低于富含鐵方鎂石的BMO底層, 但又高于上方的正常地幔, 從而形成一個具有中等密度的富硅層, 該成分特征與地震學觀測揭示的低鐵方鎂石含量一致. 隨后我們通過高分辨率地球動力學模擬追蹤了這些BECMO固結物質的命運. 模擬顯示, 這些中等密度物質被地幔對流擾動、搬運, 最終在核幔邊界上方聚集形成巨大的化學堆垛體, 這與觀測到的LLVPs吻合. 同時, 一些最致密的物質滯留在最底部, 形成了波速極低的ULVZs斑塊( 圖1 ) [8] .

圖1

地核出溶混染巖漿洋(BECMO)的形成和演化示意圖. (a) 地球形成初期曾經歷全球性的熔融事件, 隨著地幔的冷卻、結晶, 在地幔最底部形成了一個基底巖漿洋(BMO). (b) 從地核中出溶的二氧化硅持續加入BMO, 抑制了鐵方鎂石的結晶, 并在地幔底部形成一層由布里奇曼石和賽石英為主的中等密度層, 該層在地幔對流的作用下最終演化成大型低波速省(LLSVPs)和超低速區(ULVZs) [8]

BECMO模型不僅解釋了LLVPs和ULVZs等地球物理觀測現象, 也建立了與同位素地球化學觀測的聯系. 由于地核物質虧損30Si [9] 和182W [10] , 富集3He [11] . 當繼承了地核同位素組成的出溶物質溶解到BMO中, 這些核素特征也隨之注入. 因此, BECMO物質可能兼具BMO和地核的雙重地球化學特征. 而這恰好可以解釋某些來自地幔深部的洋島玄武巖中觀察到的輕硅同位素、182W負異常以及高3He/4He比值.

BECMO模型描繪了一幅地球早期演化的新圖景: 地核出溶與BMO的相互作用共同塑造了地幔最深部的物理和化學結構. 這個模型調和了地震學、地球動力學和地球化學之間看似矛盾的證據, 為理解深部地幔不均一性起源提供了新的視角, 彌補了我們對地幔動力學和地球深部演化認識上的關鍵空白. 相關研究成果發表在 Nature Geoscience [8] . 未來, 我們需要更精細的三維模擬來驗證ULVZs的分布范圍, 也需要更多的實驗來約束地核出溶的速率和成分. 但可以肯定的是, 地球的核幔邊界是一個遠比我們想象中更為動態和活躍的界面, 地核與地幔之間持續數十億年的物質和能量交換, 是驅動地球演化的核心引擎之一.

參考文獻

[1] Garnero E J, McNamara A K, Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle . Nat Geosci , 2016 , 9: 481 -489

[2] Boukaré C é, Badro J, Samuel H. Solidification of Earth’s mantle led inevitably to a basal magma ocean . Nature , 2025 , 640: 114 -119

[3] Pachhai S, Li M, Thorne M S, et al. Internal structure of ultralow-velocity zones consistent with origin from a basal magma ocean . Nat Geosci , 2021 , 15: 79 -84

[4] Boukaré C, Ricard Y, Fiquet G. Thermodynamics of the MgO-FeO-SiO2 system up to 140 GPa: application to the crystallization of Earth’s magma ocean . J Geophys Res Solid Earth , 2015 , 120: 6085 -6101

[5] Deng X, Xu Y, Hao S, et al. Compositional and thermal state of the lower mantle from joint 3D inversion with seismic tomography and mineral elasticity . Proc Natl Acad Sci USA , 2023 , 120: e2220178120

[6] Hirose K, Morard G, Sinmyo R, et al. Crystallization of silicon dioxide and compositional evolution of the Earth’s core . Nature , 2017 , 543: 99 -102

[7] Helffrich G, Ballmer M D, Hirose K. Core-exsolved SiO2 dispersal in the Earth’s mantle . J Geophys Res Solid Earth , 2018 , 123: 176 -188

[8] Deng J, Miyazaki Y, Yuan Q, et al. Deep mantle heterogeneities formed through a basal magma ocean contaminated by core exsolution . Nat Geosci , 2025 , 18: 1056 -1062

[9] Shahar A, Hillgren V J, Young E D, et al. High-temperature Si isotope fractionation between iron metal and silicate . Geochim Cosmochim Acta , 2011 , 75: 7688 -7697

[10] Kleine T, Touboul M, Bourdon B, et al. Hf–W chronology of the accretion and early evolution of asteroids and terrestrial planets . Geochim Cosmochim Acta , 2009 , 73: 5150 -5188

[11] Olson P L, Sharp Z D. Primordial helium-3 exchange between Earth’s core and mantle . Geochem Geophys Geosyst , 2022 , 23: e2021GC009985

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