SolidEarth Sciences 在创刊号中提出了固体地球科学所面临的7大挑战性的科学难题：(1)地球内部的结构和组成 (the structure and composition of the Earth's interior); (2) 月球的形成 (the formation of the Moon); (3) 岩浆海的演化 (the evolution of the Magma Ocean); (4)板块构造运动的起始 (the origin of plate tectonics); (5) 地幔柱的本质 (the nature of mantle plumes); (6) 生命的起源于演化 (the emergence and evolution of life); (7) 超大型矿床的形成 (the formation of giant ore deposits).

（1）地球内部的结构与组成。

Science在创刊125周年时提出的125个科学难题中，第10个难题是：地球内部如何运行。这个难题的最核心问题是地球内部的结构与组成。运动均受控于能量，地球内部也不例外。热能、放射性衰变能、势能和结晶能是地球内部的主要能量来源。而这些能量主要通过密度差驱动地球内部物质的运动。因此地球内部的结构和组成是控制地球内部运动的关键。这其中最关键的问题是：地球内部有多少水？有多少碳？这些挥发分都赋存在什么矿物中？是否有局部富集？

Green 2010 Nature图

　　水是地球上最重要的元素之一。地球内部的水是形成软流圈和出现板块构造的关键。同时，水降低地幔橄榄岩的固相线，影响岩浆活动。

碳是地球上另一个最重要的元素。二氧化碳可以大幅度降低地幔橄榄岩的固相线，产生岩浆。此外，地球内部碳的释放会导致大气二氧化碳的波动，造成气候波动，导致生物灭绝。

图片引自网络

　　地球内部的结构和组成还受到板块俯冲的影响。自从板块运动出现以后，每年有数十立方公里的洋壳俯冲到地幔中，这些俯冲板块的命运如何？被消化、融合到地幔中？还是在下地幔保存？在核幔边界有两个超级低速省，这两个超级低速省与地幔柱有对应关系。有模型认为它们是俯冲到下地幔的大洋板片残余，在核幔边界发生部分熔融，然后可以通过矿物分离等过程诱发地幔柱。也有人认为，俯冲下去的洋壳将留在下地幔的“坟场”里。

Sunet al., 2013 International Geology Review 矿物分离模型图。

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