“深地资源勘查开采”专项
                燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应
固体地球科学面临的七大挑战:(3)岩浆海的演化
2017-04-24 22:21

固体地球科学面临的七大挑战

http://dx.doi.org/10.1016/j.sesci.2016.06.001

Solid Earth 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) 生命的起源与演化 (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。

(2)月球的形成。

(3)岩浆海的演化

这个问题属于Science提出的125个科学难题中的第52个难题:“行星是如何形成的”的一部分。在地球和很多其他行星在其吸积早期都曾经经历过局部乃至全部熔融的时期:整个星球的表面由岩浆构成,这就是岩浆海。在太阳系早期,短寿命放射性元素提供大量的热。其中,铝的一个放射性同位素26Al 衰变为26Mg释放出大量的热,是最重要的放射衰变能。另一方面,在星子吸积的过程中,大量的势能转化为热能。其中最典型的是大撞击过程。这种证据表明,比地球小很多的月球曾经有过岩浆海。地球在早期所积累的能量远高于月球,因此,可以肯定地球经历过岩浆海过程。正是由于岩浆海的存在,地球发生分层,形成了地核、地幔和地壳、以及大气圈、水圈等。


岩浆海示意图(图片转自网络)


与岩浆海演化相关的问题有:岩浆海有多深?是全部地球都熔了?还是只是浅表被星子撞击所熔融?

关于岩浆海的深度有多种不同的观点。一种观点认为在岩浆海时期,整个地球被熔融了。另一种观点则认为,在形成月球的大撞击事件中,整个地球被熔融,形成了一个大火球。





地幔橄榄岩和碳酸岩化的地幔橄榄岩的固相线Sun 2017, Solid Earth Sciences综合图


简单说来,这个问题受控于两个主要的因素:星体越大,其总能量越高,温度越高,有利于熔融;另一方面,星体越大,其内部的压力越大,矿物的熔点也越高,不利于内部全熔。由于体积与深度的立方成正比,简单用这种关系考虑问题,星体的体积越大,越容易形成岩浆海。月球有斜长岩高地,Eu正异常,月球上的其他岩石Eu有明显的负异常,因此一般认为月球曾经经历了岩浆海过程。如果简单类比,月球这个地球的小兄弟都熔了,地球应该熔融的。

但是,真实的世界永远比模型复杂。首先,在行星吸积过程中,撞击能量主要集中在外层。星体越大,内部受到的影响越小。其次,从很多小行星已经有核幔分异的现象看,在地球吸积早期,就发生了核幔分异。在行星吸积早期,短寿命放射元素中最重要的能量来自26Al。由于铝是亲石元素,主要集中在硅酸盐中。因此在发生核幔分异以后,地核中的短寿命放射性元素所提供的能量远少于地幔中的。因此,随着行星吸积,金属核由于压力增加,熔点升高。而能量增加很少。这样有可能造成金属核很早就呈现固体。宋晓东等地球物理学家发现地球的内核、内内核结构上有异常,是否暗示着在岩浆海期间,地核至少局部没有被熔融?内内核是否是形成月球的大撞击的撞击星子留下的?这些都有待研究。

有关岩浆海的演化更重要的问题是岩浆海是如何冷凝结晶的?从外向内结晶还是从里向外结晶,抑或从某一深度开始结晶?岩浆海冷凝过程中是否都发生地幔翻转?对这些问题的研究主要依赖于对月球的研究,以及高温高压实验、数值模拟等研究手段。

关于岩浆海结晶深度的问题,一篇经典的文章是Li and Agee 1996 Nature. 早期高温高压实验发现,亲铁元素在硅酸盐和金属相间的分配系数不同,但是地幔中这三个元素基本上是球粒陨石比值。一种解释是铂族元素等是受核幔分异后的陨石所控制。但是,与铂族元素不同,铁钴镍是主量元素,需要的后期加入量很大。Li and Agee发现这三个元素在硅酸盐和金属相之间的分配系数受控于温压,在大约1000千米深度,三个元素的分配系数相似。由此推断岩浆海结晶的深度在1000千米。


月幔翻转示意图孙卫东等2010--地球化学


这种模型可以解释铁钴镍和亲铁元素,但是并不能解释亲石元素。例如,稀土是否应该出现强烈的分异?高温高压实验显示石榴子石等都亲重稀土,因此,岩浆海结晶的结果应该留下浅层轻稀土强烈富集。

一种解释是“地幔倒转”。这种模型是四十多年前在月球研究中最先提出的月满倒转,而后被运用于类地行星的演化上。根据月幔倒转模型,月球岩浆海最先结晶的是斜长石。斜长石密度小于玄武质岩浆,而漂浮在岩浆海的表层,橄榄石等密度大的矿物则堆积在岩浆海的底部。随着结晶分异残余岩浆不断富集不相容元素,包括钾、铀等放射性元素,与此同时,残余岩浆的密度逐渐增大,当其密度大于深部的富含橄榄石的堆晶岩时,便发生大规模月幔翻转,形成橄榄石与残余岩浆的混合体。残余岩浆中高含量的放射性元素释放出来的热造成部分熔融,形成镁质系列。


 
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