科學(xué)通報(bào) | 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(gè)巨大的謎團(tuán)——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(shí)發(fā)現(xiàn)的模糊陰影, 這些區(qū)域的地震波速異常偏低, 同時(shí)還散布著一些波速極低的“斑塊”(超低速區(qū), ULVZs). 它們是什么? 從何而來(lái)? 又如何經(jīng)歷數(shù)十億年而不被地幔對(duì)流徹底攪勻? 這些問(wèn)題一直困擾著地球科學(xué)家.

一個(gè)經(jīng)典模型認(rèn)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(tài), 形成了一個(gè)深達(dá)地幔底部的巖漿洋. 隨著地球的冷卻固化, 重物質(zhì)下沉, 輕物質(zhì)上浮. 在地幔最底部, 可能殘留過(guò)一個(gè)基底巖漿洋(BMO) [2] . 它的結(jié)晶分異可以產(chǎn)生富鐵的致密物質(zhì), 這些物質(zhì)堆積起來(lái), 就可能形成了今天我們看到的LLVPs [3] .

然而, 這個(gè)看似完美的故事卻有一個(gè)致命的破綻. 熱力學(xué)相平衡計(jì)算表明, 由于液相線礦物布里奇曼石優(yōu)先結(jié)晶, BMO在凝固過(guò)程中會(huì)迅速消耗硅酸鹽熔體中的硅, 最終形成一個(gè)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(yuǎn)低于此 [5] . 如果LLVPs真的來(lái)自古老的BMO, 那么就必須存在某種機(jī)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(gè)可能的解決方案, 其靈感來(lái)自另一個(gè)前沿領(lǐng)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(zhì)元素(如氧、硅、鎂等)會(huì)達(dá)到飽和, 并以氧化物的形式析出 [6] . 這一過(guò)程就是地核出溶. 由于氧化鎂和二氧化硅的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于液態(tài)地核的密度, 這些氧化物出溶體會(huì)向核幔邊界運(yùn)移和聚集. 如果此時(shí)上覆地幔已經(jīng)冷凝固結(jié), 出溶體在核幔邊界不斷堆積, 最終會(huì)以底辟的形式向上刺穿地幔數(shù)百公里 [7] . 而如果地幔底部仍然存在一個(gè)液態(tài)的BMO, 出溶體將進(jìn)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(gè)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(zhì)的出溶這兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程.

通過(guò)熱力學(xué)模擬, 我們對(duì)比了傳統(tǒng)BMO和BECMO的固結(jié)和分異過(guò)程. 對(duì)于傳統(tǒng)的BMO模型, 巖漿洋固結(jié)時(shí), 首先結(jié)晶的是布里奇曼石. 它會(huì)大量消耗熔體中的硅, 導(dǎo)致殘余熔體極度富鐵, 最終結(jié)晶形成巨厚的富鐵方鎂石的致密層. 而地核出溶物質(zhì)的加入徹底改變了BMO的成分和結(jié)晶礦物組成. 由于地核中硅的豐度遠(yuǎn)高于鎂, 且二氧化硅析出的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力比氧化鎂更強(qiáng), 導(dǎo)致二氧化硅從地核中的出溶速率和總量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氧化鎂. 因此, BMO中因布里奇曼石結(jié)晶而消耗的硅得到了來(lái)自地核的持續(xù)補(bǔ)充. 這強(qiáng)烈抑制了鐵方鎂石的大量結(jié)晶, 使得BECMO結(jié)晶的產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)橐圆祭锲媛唾愂橹鞯牡V物組合 [8] . 與傳統(tǒng)的BMO模型預(yù)測(cè)的極高鐵方鎂石含量相比, 該層的鐵被有效稀釋, 其密度遠(yuǎn)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(gè)具有中等密度的富硅層, 該成分特征與地震學(xué)觀測(cè)揭示的低鐵方鎂石含量一致. 隨后我們通過(guò)高分辨率地球動(dòng)力學(xué)模擬追蹤了這些BECMO固結(jié)物質(zhì)的命運(yùn). 模擬顯示, 這些中等密度物質(zhì)被地幔對(duì)流擾動(dòng)、搬運(yùn), 最終在核幔邊界上方聚集形成巨大的化學(xué)堆垛體, 這與觀測(cè)到的LLVPs吻合. 同時(shí), 一些最致密的物質(zhì)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(jīng)歷全球性的熔融事件, 隨著地幔的冷卻、結(jié)晶, 在地幔最底部形成了一個(gè)基底巖漿洋(BMO). (b) 從地核中出溶的二氧化硅持續(xù)加入BMO, 抑制了鐵方鎂石的結(jié)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(duì)流的作用下最終演化成大型低波速省(LLSVPs)和超低速區(qū)(ULVZs) [8]

BECMO模型不僅解釋了LLVPs和ULVZs等地球物理觀測(cè)現(xiàn)象, 也建立了與同位素地球化學(xué)觀測(cè)的聯(lián)系. 由于地核物質(zhì)虧損30Si [9] 和182W [10] , 富集3He [11] . 當(dāng)繼承了地核同位素組成的出溶物質(zhì)溶解到BMO中, 這些核素特征也隨之注入. 因此, BECMO物質(zhì)可能兼具BMO和地核的雙重地球化學(xué)特征. 而這恰好可以解釋某些來(lái)自地幔深部的洋島玄武巖中觀察到的輕硅同位素、182W負(fù)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(xué)結(jié)構(gòu). 這個(gè)模型調(diào)和了地震學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)和地球化學(xué)之間看似矛盾的證據(jù), 為理解深部地幔不均一性起源提供了新的視角, 彌補(bǔ)了我們對(duì)地幔動(dòng)力學(xué)和地球深部演化認(rèn)識(shí)上的關(guān)鍵空白. 相關(guān)研究成果發(fā)表在 Nature Geoscience [8] . 未來(lái), 我們需要更精細(xì)的三維模擬來(lái)驗(yàn)證ULVZs的分布范圍, 也需要更多的實(shí)驗(yàn)來(lái)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(gè)遠(yuǎn)比我們想象中更為動(dòng)態(tài)和活躍的界面, 地核與地幔之間持續(xù)數(shù)十億年的物質(zhì)和能量交換, 是驅(qū)動(dòng)地球演化的核心引擎之一.

參考文獻(xiàn)

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[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

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[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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