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地球早期形成演化历史研究进展

地核早期演化模型。白色菱形为布里奇曼石,蓝色方块代表铁方镁石,紫色圆点代表地核析出物。黑色箭头代表磁场。红色箭头代表地核的对流。蓝色s型曲线代表地核的冷却速率。

地核早期演化模型。白色菱形为布里奇曼石,蓝色方块代表铁方镁石,紫色圆点代表地核析出物。黑色箭头代表磁场。红色箭头代表地核的对流。蓝色s型曲线代表地核的冷却速率。(a)地球早期到42亿年,岩浆洋结晶程度小于60%,岩浆洋快速冷却,对应为地核快速降温区间。快速降温释放的热能驱动对流产生磁场。(b)42到35亿年,岩浆洋结晶程度大于60%,地核开始缓慢降温,可能有较弱磁场。(c)35到13亿年,以氧化镁为主的硅酸盐或氧化物析出开始,地磁场重新转强。在之后历史演化过程中,析出速率逐渐降低,地磁场强度逐渐下降(d)最后在13亿年,内核开始形成,地核发电机获得了新的能量源,地磁场强度再次变强。以上演化步骤与古地磁场强度演化能够一一对应

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院地质与地球物理研究所:古地磁研究表明,地磁场已经持续运转了至少35亿年,其最早的起源时间甚至可以追溯至42亿年前(Tarduno et al., 2015)。地磁场由地核“发电机”产生,通过地球外核中液态铁的对流驱动。标准模型认为地磁发电机能量源由四部分组成:(1)地核冷却;(2)内外核边界的轻元素释放;(3)放射性元素衰变;(4)地球的进动。但是,第一性原理计算和随后的高温高压实验表明地核的热导率比原来估算的高很多(Pozzo et al.,2012;Ohta et al.,2016)。地核具有高热导率的后果是标准模型中的能量会通过热传导的形式耗散掉,从而没有足够的能量去驱动对流,导致地磁场的能量严重缺失。这一问题被称为“新的地核悖论”(New Core Paradox;Olson, 2013)。

O'Rourke and Stevenson (2016) 提出从地核中析出的镁可以作为标准模型之外的地核发电机能量源。镁在过去一直被认为是亲石元素,不会进入到地核中,但他们提出通过大撞击能够将大量的镁在地球历史早期挤入地核中。他们认为镁在地核中的溶解度强烈依赖于温度,温度越高,溶解度越大。在这种情况下,镁可以随着大撞击提供的高温大量进入到初始地核中。之后,随着地核的逐渐降温,镁逐渐析出,为地磁场提供能量。这一假说巧妙地将大撞击、核幔分异、岩浆洋演化、地磁起源等地球早期重大事件结合了起来。该假说的核心关键是镁的溶解度是否具有强温度依赖性,以及镁的析出是否能在35亿年前开始为地磁场提供足够的能量。针对这些关键问题,目前仍然有较大的争议(如Badro et al., 2016;Du et al., 2017)

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室硕士生刘为一与导师张毅刚研究员等,通过第一性原理分子动力学的计算,获得了大量镁的配分系数数据,并在此基础上研究地球早期的形成演化历史。结果显示镁的配分系数强烈依赖于温度(图1)。根据获得的镁的平衡常数与温度的关系式,结合根据古地磁强度数据建立的地核热演化模型,他们发现镁能够在35亿年前开始析出(图2a)并为地磁场提供足够的能量(图2b)。他们进一步模拟了镁析出产生的磁场随时间的演化,发现其很好地符合了古地磁强度的长期变化趋势。该项研究为地球早期地磁场强度变化提出了新的解释机制,即磁场强度的突然增大然后逐步走低可能代表了镁析出产生磁场的典型特征,随后磁场的再次突然增强可能代表了内核开始形成,地磁场获得了新的能量源。据此,他们建立了早期地核演化图景。

研究成果发表于国际权威学术期刊Earth and Planetary Science Letters。研究受中科院先导专项B、国家自然科学基金资助。

相关报道:NC:Jack Hills锆石微量元素反演早期地壳组成

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院地质与地球物理研究所:“地球黑暗时期(地球诞生后最初的5亿年,4.5-4.0 Ga)究竟发生了什么”是21世纪固体地球科学的十大研究问题之一(美国国家科学院固体地球科学重大研究问题委员会,2010)。在澳大利亚Jack Hills地区的变沉积岩中,保留了大量地球早期的碎屑锆石(以下简称Jack Hills锆石),其中最古老的年龄可达4.36 Ga。因而Jack Hills锆石成为了探索地球黑暗时期地质演化的最重要窗口。

近20年来,研究者利用各类地球化学方法(例如Ti温度计、REE氧逸度计、O同位素、Hf同位素、Li同位素、包体矿物等)探索保存在Jack Hills锆石中的早期地球的地壳组成信息。然而,关于早期地球的地壳组成和形成机制仍未有定论。例如,早期地球的地壳是镁铁质的还是长英质的?有没有沉积物加入早期地球的岩浆源区?Jack Hills锆石的母岩浆是TTG,俯冲有关的弧岩浆,板内镁铁质岩浆,还是冲击成因的岩浆?

近期,研究者发现Jack Hills锆石的微量元素组成中蕴含了早期地球的地壳组成信息。其中最有代表性的工作为2017年澳大利亚国立大学的Andrew Berry教授课题组发表于Nature Geoscience的研究以及2020年澳大利亚麦考瑞大学Simon Turner教授及其合作者发表于Nature Communication的研究,两者都通过构建判别图解的方法,尝试探索Jack Hills锆石的母岩浆组成。

前者建立了锆石微量元素的REE+Y vs P图解,并且发现Jack Hills锆石的微量元素组成在图解中明显不同于S型花岗岩锆石(往往P>20μmol/g)而接近于I型花岗岩锆石(往往P<20μol/g),推断Jack Hills锆石的母岩浆成分可能更接近I型花岗岩,即类似于TTG(Burnham and Berry,2017)。后者通过使用分配系数将锆石微量元素转化为熔体微量元素,进而运用经典的Pearce图解示踪Jack Hills锆石的母岩浆成分(Turner et al., 2020),最终得出Jack Hills锆石的母岩浆与现代俯冲环境的弧岩浆(安山岩)相近的结论。

基于Jack Hills锆石的微量元素组成,两个研究团队得出早期地球的地壳具有完全不同的成分(TTG vs 安山岩),这意味着其中至少一个研究是不可靠的。幸运的是,我们有机会看到其他研究者和评审专家对这两篇文章的评述。其中Bell (2017)在Nature Geoscience撰文指出,REE+Y vs P图解在P<20μmol/g的区域具有显著的重叠,大大削弱了其预测Jack Hills锆石母岩浆成分的准确性,其结论无法支持绝大多数Jack Hills都结晶自TTG的结论。Turner et al. (2020)的审稿人2委婉指出,使用分配系数反演Jack Hills锆石母岩浆成分的可靠性是难以评估的(I can’t evaluate if these composition estimates are robust or how dependent they are on the choice of partition coefficients) 。

综上所述,这两篇Jack Hills锆石微量元素研究虽然为早期地球的地壳组成提供了一定的参考和制约,但由于本身存在一定的问题,使其难以真实准确地揭示早期地球的地壳组成。事实上,锆石微量元素组成的影响因素是非常复杂的,它不仅仅受岩浆成分的控制,还会受到诸如岩浆演化(例如矿物的分离结晶)、包体矿物、后期蚀变、晶格结构(例如晶格应变模型)等因素的影响(Zou et al., 2019)。因此,从锆石微量元素中提取出能够真实反映岩浆组成的信息,是利用Jack Hills锆石微量元素反演早期地球的地壳组成的核心前提。这要求研究者从原理上进一步深化对锆石微量元素形成机制的认识、进一步加深对锆石微量元素指标和图解主控因素的认识。但无论如何,锆石微量元素正日益展现出示踪岩浆组成与岩浆过程的巨大潜力。

相关报道:假如地球是一个鸡蛋

(神秘的地球uux.cn报道)据中科院之声:目前,科学家们普遍认为,地球80%的成分是铁、硅、氧。在地球早期形成的过程中,比较重的铁下沉,形成了地核,比较轻的硅酸盐物质上浮,形成了地幔。在距地表约2900公里深处,是地核与地幔的分界线(被称为核幔边界),正是因为有了这条分界线,地球内部才不是一片混沌。

假如地球是一个鸡蛋,地核是蛋黄,地幔是蛋清,核幔边界就是蛋清和蛋黄之间的过渡带。

这里是俯冲板块的“坟墓”

1914年,德国地球物理学家 Beno Gutenberg 利用地震观测波形首次发现了核幔边界。核幔边界是地球内部最神秘又复杂的区域,涉及地球内部大量物理化学现象。在物理性质上,核幔边界的地震波速度、密度、温度等都发生着急剧变化。同时,核幔边界与火山喷发、地震活动等有着密切的联系。比如夏威夷火山的形成,就是核幔边界的物质上升到了地表。

1999年,美国科学家 Rob Van der Voo在《自然》杂志发表文章时给核幔边界取了一个形象的名字——俯冲板块的“坟墓”。回到假如地球是一个鸡蛋的比喻,“不安分”的蛋壳(板块)互相挤压,蛋壳(板块)物质向蛋黄俯冲,却无法超越蛋清与蛋黄的边界,也就是核幔边界。

从早中生代(~250百万年)时期南半球冈瓦纳泛大陆初始裂解过程开始,青藏高原的形成经历了漫长的构造演化历史。当印度板块与欧亚大陆板块相遇,大量板块物质俯冲到地球深部,它们最终的归宿就是核幔边界。

因此,认识核幔边界温度和化学成分,是我们认识和理解地球内部动力学、地幔对流模式、全球构造运动、地磁场的周期性变化和地球的形成及演化等基础科学问题的关键。

挖掘地震波里的“秘密”

印度-欧亚大陆碰撞带位于印度北部和青藏高原南部地区,古/新特提斯由南向北、太平洋由西向东同时俯冲,大量的板块物质下沉到了核幔边界。这些物质对地球深部产生怎样的影响,是地球科学家们研究的热点。

地震发生后,会产生地震波,特别是大地震,地震波能量很强,它能传播到地下2900公里深处,并在核幔边界发生反射,然后传播到地表,被地震仪接收,如图3中地震波ScS所示。从地震波产生到被地震仪接收,所用的传播时间,被称为地震波走时。基于地震波走时的全球层析成像方法常被用于研究核幔边界大尺度的速度结构。

近日,中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队白玲研究员及其团队成员首次对印度-欧亚板块碰撞带核幔边界顶部的精细结构进行了研究。

他们利用中国数字测震台网记录的印度洋地区8个地震的波形资料,使用观测和三维理论ScS波形互相关的方法,综合考虑地幔中地震波传播速度三维不均匀性的影响,拾取核幔边界之上约300公里的区域(D”区域)的地震波走时。

研究团队发现,印度、西藏南部一带的核幔边界,在横向300公里的范围内,地震横波速度存在约3-7%的变化,明显大于前人利用层析成像法获得的0-1.5%的速度变化范围。如此剧烈的地震波异常,意味着该区域核幔边界存在化学异常或部分熔体(图5),而非此前认为的,该地区核幔边界结构好似纯净的冰水,主要受俯冲结构低温物质的控制。

该成果3月21日发表在《地球物理通讯》(Geophysical Research Letters)期刊上。

相关报道:印度-欧亚板块碰撞带核幔边界横波速度的显著变化

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学院青藏高原研究所:核幔边界是地球内部物质和温度变化最剧烈的圈层,是固态硅酸盐下地幔和液态铁镍外核的分界面,也是地幔对流上涌岩浆的发源地和俯冲板块碎片最后的归宿。因此,核幔边界的结构与板块构造运动和地幔对流等地球演化过程有着密切联系。

从早中生代时期南半球冈瓦纳大陆初始裂解过程开始,青藏高原的形成经历了漫长的地质构造演化历史。前人的研究结果表明,青藏高原地区的核幔边界在大尺度结构上主要表现为横波高速异常,常用的层析成像方法在该地区的观测精度约为1000公里。近期,中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升与影响团队白玲研究员及其团队成员,首次研究了印度-欧亚板块碰撞带核幔边界顶部(D”层)的精细结构,将观测精度提高了一个数量级。

本研究主要基于中国数字测震台网记录的发生在印度洋的8个地震的波形资料,利用三维核幔边界反射波理论波形的互相关方法,获得了近1000个高质量的ScS-S走时残差δt3D。这些时差显示出高达10 s的横向变化,表明在核幔边界顶部约300km的水平范围内,横波速度存在高达3-7%的横向变化,明显大于前人利用层析成像方法获得的0-1.5%的速度变化范围。

本研究支持前人在层析成像、地球化学等方面的工作,认为青藏高原地区的核幔边界结构主要以高速异常为主,其形成过程可能与中生代以来古/新特提斯洋和古/新太平洋板块的俯冲过程有关。研究结果进一步表明,在研究区域的东南和西北两侧存在小尺度的低速异常,表明核幔边界结构的形成不仅受到大洋板块俯冲过程的影响,同时与外核和下地幔等不同圈层之间的物理化学作用等多种因素有关。本研究首次利用地震波形资料观测到了在大陆碰撞带核幔边界顶部约300km的小尺度上存在高达7%的剪切波速度变化,为认识青藏高原及其周边地区核幔边界的温度和化学成分特征及其构造演化历史提供了新的观测依据。

该研究成果近期以 “Lateral variations of shear-wave velocity in the D'' layer beneath the Indian-Eurasian plate collision zone” 为题在Geophysical Research Letters期刊上发表。本研究获得国家自然科学基金(41761144076, 41804083),王宽诚教育基金(GJTD-2019-04),中国博士后科学基金(2018M641490)与美国国家科学基金(EAR-1644829)的联合资助。

全文链接:Li, Guohui, Bai, Ling, Ritsema, Jeroen (2020). Lateral variations of shear‐wave velocity in the D″ layer beneath the Indian‐Eurasian plate collision zone. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL086856. https://doi.org/10.1029/2019GL086856.




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