中國科大吳忠慶教授團隊：水誘導的地幔倒轉可解釋太古宙強磁場 | NSR

近日，中國科學技術大學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。相關成果以“Water-Induced Mantle Overturn Explains High Archean Paleointensities”為題，發表在國際頂級期刊National Science Review（《國家科學評論》，NSR）。

該研究發現地幔倒轉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。這意味著地幔倒轉事件不僅能夠解釋太古宙大陸集中出現及太古宙前后全球性巖性轉變等現象，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。傳統的地磁場理論難以解釋這一現象：

1）由高電導率的巖漿洋對流產生的磁場應該從45億年開始逐漸衰減，并且地球自轉會顯著降低巖漿洋對流速度，巖漿洋發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對流增強地磁發電機，但輕元素的析出時間和速率仍存在很大的不確定性。

2

水誘導的地幔倒轉

形成月球的撞擊可能融化了整個地幔，導致了全球性的巖漿洋。高壓領域的研究發現巖漿洋是從地幔中部開始結晶的，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定。最終，這一富水巖漿洋在太古宙末期快速上涌，觸發了地幔倒轉事件(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基礎與形成條件，還為多種看似獨立的地質觀測現象提供了統一的解釋，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育(Wu, 2024; Wu and Zhao, 2022)。

3

地幔倒轉加速核幔邊界冷卻，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，并結合巖漿洋固相線和絕熱線的關系建立了核幔邊界熱演化模型。結果顯示，地幔倒轉期間核幔邊界的溫度快速下降，從而導致了核幔邊界熱流的增加，而地磁發電機強度對該熱流值十分敏感。參數化的發電機模型表明，由地幔倒轉導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)表示不同參數下虛擬偶極矩的演化。

4

地幔倒轉自然地解釋了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值3 TW，還是最高數值28 TW。都可以在合理的模型參數范圍內來復現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，考慮地幔倒轉的地磁發電機模型都可以很好地吻合觀測。國際著名古地磁學家 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果，成功表明觀測數據和理論模型的可靠性。該研究為理解地磁發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。藍色為本研究的結果，符號來源于 Tarduno 等人的匯編數據，紅色線條為最新古地磁數據庫的蒙特卡洛平均。

圖5. 地幔倒轉示意圖。在地幔倒轉過程中，大規模熱柱上涌至地表，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電機。地幔倒轉結束后，核幔邊界和地核恢復到相對穩定的狀態。

展望

水誘導的地幔倒轉持續了數十億年，并涉及整個地幔。地幔倒轉在時間和空間尺度上都與板塊構造具有可比性，但我們對地幔倒轉的許多方面仍知之甚少。地幔倒轉對早期地球產生了多方面的影響，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過程具有重要意義。

中國科學技術大學地球和空間科學學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基金原創探索計劃項目(42350004)和國家杰出青年科學基金(41925017)資助，部分計算在中國科學技術大學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）

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品位

一起閱讀科學