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The Innovation | 地幔对流从上升流到下降流的转变

Xu Liu TheInnovation创新 2023-03-27

对于热对流而言,有上升必然会有下降;对于地幔对流而言,上升流和下降流并不是均衡的,并且会受到地幔温度的影响。那么,地球上的地幔对流究竟是平衡的,还是非平衡的?是自上而下还是自下而上为主?又或者与时间相关?地幔岩石学证据表明,早期地幔对流模式以上升流为主导,来自地幔地核界面的上升地幔柱控制地幔对流。随着时间的推移,俯冲板块在地幔对流中起到更为重要的作用。现今地幔对流演变为以下降流为主导的模式。地幔对流模式的转变为我们认识地幔提供了关键的地质约束。


图1 地幔对流示意图(Credit: BBC, Earth: The Power Of The Planet


地球地幔对流的动力学模式一直都是充满争议的。中国科学院地质与地球物理研究所Ross N. Mitchell和马里兰大学Michael Brown等学者研究发现,以上升流为主导和以下降流为主导的模式在不同地质历史时期均曾发生过,并且这种不对称对流模式会随时间改变,同时,地幔的温度、黏度和密度也会随时间推移而发生改变。

来自不同时期的深部地幔岩石丰度完全不同。本研究选取了三类典型研究对象:科马提岩、斜长岩和金伯利岩(图2)。科马提岩(Komatiite)是一类地球早期超镁铁质火山岩,代表着地球最热的初级地幔熔体,地幔潜温高达1550℃,主要形成于34—18亿年期间,被认为是地幔柱的产物,地幔柱是来自核幔边界的上升地幔流。金伯利岩(Kimberlite)是一类岩石圈地幔熔融形成的地幔岩石,往往形成于大陆裂谷中,可以把大陆岩石圈底部高压环境下形成的金刚石带到地表。金伯利岩随着时间的推移不断增加,在2.5-0.5亿年间发生了“金伯利岩大爆发”事件。在科马提岩匿迹之后至金伯利岩爆发之前,存在长达10亿年的静寂期(18—8亿年前),被称为“boring billion(枯燥的十亿年)”,在此期间,地球的地幔活动急剧减少,而在这段时间出现的斜长岩(Anorthosite)填补了地幔活动的空白。在成因上,斜长岩被认为是玄武质岩浆在莫霍面(地壳-地幔边界)变压分离结晶的产物。

图2 科马提岩、斜长岩、金伯利岩照片

上述3种地幔岩石的丰度变化揭示了不同阶段地幔状态。早期地球富含科马提岩,表明此时地幔具有较高的潜能温度以形成频繁的地幔柱,此时地幔以上升流为主导。但随着地幔的冷却和俯冲作用的增加,地球科马提岩活动逐渐减少,从18亿年前至今鲜有记录。进入地球10亿年静寂期,科马提岩和金伯利岩分布都极其稀少,远离科马提岩和金伯利岩区而广泛分布的斜长岩成为了地幔岩石的主导,也代表此时地幔处于对流平衡阶段。最早的高压变质作用和超高压变质作用,代表最早的俯冲作用的开始(图3)。随着全球板块构造的启动,与俯冲相关的金伯利岩随之增加,代表着下降流占据了对流的主导地位。尤其是从2.5亿年前至今,地球正处在俯冲板块控制的下降流阶段。

图3 地质历史时期地幔岩(科马提岩、斜长岩、金伯利岩)丰度变化表明地幔对流模式从以上升流为主导到以下降流为主导的转变

地幔对流是核幔边界与壳幔边界的温差导致的,虽然对流需要质量平衡,但并不代表力的平衡。当上升流占主导时需要有更高的热异常和上升速度,早期地球广泛出现的科马提岩正反映了这一特征。而现今地球则是以强烈的俯冲下降流控制地幔对流,与俯冲作用相关的金伯利岩的增加证明了俯冲作用的增强。本研究推测,地幔接下来的对流模式将会是停滞盖层模式,即刚性的地表不再参与深部地幔循环,类似于如今的金星和火星。

图4 温度控制着地幔对流模式。(a)当模型被基底加热时,上升流(浅色)和下降流(深色)是相当的;(b)当整体冷却强于基底加热时,下降流(浅色)占主导;(c)当整体冷却比基底加热强得多时,上升流几乎不再显示;(d)相比于(b)降低了黏度仍表现出同样的特征(Credit: Elsevier 2, 7; 2015


总结与展望



地幔岩石类型的转变表明:随着时间的推移,地球地幔对流模式发生了从下而上到从上而下的转变,但理解地幔黏度和密度对地幔对流的影响仍然是困难的。本研究中不对称地幔对流的过渡为地幔动力学研究提供了关键的地质约束,也为进一步研究地幔性质如何随着时间演变提供了新的思路。



知识点


1

金伯利岩大爆发(Kimberlite bloom):全球超过60%的金伯利岩喷发都发生2.5-0.5亿年前,以南非、西伯利亚、加拿大等地区为代表。

2

枯燥的十亿年(Boring billion):18-8亿年前地球环境、生物进化、岩石圈异乎寻常的稳定,又被称为“地球的中年期”,这个时期地球没有剧烈的板块运动,地幔活动较少。





责任编辑


韩永明  北京化工大学

郑国良  辽宁省肿瘤医院






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原文链接:https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00105-9



本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Commentary发表的“Evolving mantle convection from bottom up to top down” (投稿: 2022-05-29;接收: 2022-08-30;在线刊出: 2022-09-05)。


DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100309


引用格式:Mitchell R., Brown M., Gernon T., et al. (2022). Evolving mantle convection from bottom up to top down. The Innovation. 3(6),100309.



作者简介

Ross Mitchell,中国科学院地质与地球物理研究所研究员,在耶鲁大学获得博士学位,曾在加州理工学院开展博士后研究。主要从事地球和行星科学研究,研究领域包括古地磁学、旋回地层学、超大陆学说、真极移理论以及类地行星演化。旨在发现超大陆旋回的动力学过程及驱动机制。通过比较行星学,理解不同行星地幔对流(有无板块构造)之间的异同。这种对比对于评价地外天体的可宜居性至关重要。


http://sourcedb.igg.cas.cn/cn/zjrck/201912/t20191219_5460988.html

Michael Brown,美国马里兰大学帕克分校地质学教授,在英国基尔大学获得学士和博士学位。从事高级变质作用、地壳熔融和长期变化的研究,研究重点是利用矿物颗粒尺度到造山系统的观察,研究地壳深处的物理化学过程,并将定量岩石学与构造地质学、地球化学和地质年代学结合起来,研究造山过程,特别是质量和热量的转移。《Journal of Metamorphic Geology》的创始编辑。


https://www.geol.umd.edu/michaelbrown

Thomas M. Gernon,英国国家海洋中心南安普顿大学地球科学学院副教授和英国图灵研究所成员。在布里斯托尔大学获得博士学位,随后在都柏林三一学院担任讲师。Gernon是一位对地球演化和行星过程有着广泛兴趣的地质学家。他的研究工作结合了岩石学、地球化学、地球动力学、数值模拟和机器学习,主要集中在全球构造和全球地球化学旋回之间的耦合以及分解地球系统中的时间滞后。


https://www.thomasgernon.co.uk/

Christopher J. Spencer,加拿大女王大学助理教授,在美国杨百翰大学获得学士和硕士学位,在英国圣安德鲁斯大学获得博士学位。于英国地质调查局和澳大利亚科廷大学完成博士后工作。研究主要致力于大陆地壳的形成、破坏和长期演化,以及地壳演化对大气和生物圈的影响。


https://www.queensu.ca/geol/dr-christopher-spencer




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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊:向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现,鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球48个国家/地区;每期1/4-1/3通讯作者来自海外;已被108个国家/地区作者引用。目前有195位编委会成员,来自21个国家;50%编委来自海外;包含1位诺贝尔奖获得者,33位各国院士;领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ,ADS,Scopus,PubMed,ESCI,INSPEC等数据库收录。秉承“好文章,多宣传”理念,The Innovation在海内外各平台推广作者文章。


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