emc易倍

 
贵阳分部广州分部
网站地图联系我们所长信箱建议留言内部网English中国科学院
 
 
首页概况简介机构设置研究队伍科研成果实验观测合作交流研究生教育学会学报图书馆党群工作创新文化科学传播信息公开
  新闻动态
  您现在的位置:首页 > 新闻动态 > 学术前沿
Nature:冥古宙时期含水的不均一地幔与宜居地球的形成
2022-06-27 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地球是已知唯一存在生命的星球,在地球形成最初的5亿年,地球环境可能经历了从炼狱到摇篮的剧烈转变。对于大气圈的演化而言,地球早期的大气由浓厚的CO2等温室气体组成,不利于生命的存在。而到了冥古宙末期,大气中CO2分压就已经极低。CO2是温室气体的主要成分,可以以深海碳酸盐矿物的形式进入地幔被封存在地球内部。但是冥古宙时期,究竟是何种过程导致了如此巨量的CO2被封存在地幔深部?早期地球又如何演化成为生命的摇篮?这一系列问题仍悬而未决。本项研究中,耶鲁大学Miyazaki and Korenaga (2022) 结合岩浆海的固结过程、大气演化和地幔对流模式,为冥古宙表生环境演化提供了一个新的视角。 

  1.岩浆海的去气过程与海洋的出现 

  他们认为,岩浆海固结早期,当熔体比例低于40%时,岩浆海的流变学性质就与固体类似,而诸如H2OCO2等挥发分则主要集中于熔体相中。这些新形成的固态基质由于瑞利泰勒不稳定性会持续下沉,且其下沉速率超过了熔体向上渗滤的速率,从而导致熔体中的挥发分封存在深部地幔(图1a)。因此,在这一阶段,经由岩浆海去气形成的大气质量远小于预期(图1a)。 

  他们进一步利用大气和表层岩浆海挥发分的分配系数,并考虑去气过程中的流变学性质,来预测岩浆海固结过程中大气成分的演化过程。模拟结果显示,挥发分含量在岩浆海演化过程中大致保持不变。具体表现为,如果整个地球系统中水的总量相当于现今海水规模的1.2倍,那么在表层系统中,水的含量仅相当于现今海水规模的1%,而由于CO2在熔体中的溶解度比H2O更低,因而更容易进入大气中,所预测得到的大气中CO2的分压则要高很多,大致为110 bar(初始含量为200 ppm)和290 bar(初始含量为500 ppm)。 

  此外,岩浆海固结过程中,熔体层的最终消失也会补充一部分表层水。当岩浆海浅层开始固结时 (图1b),表层温度急剧降至地幔固相线之下。受瑞利泰勒不稳定性的影响,地幔的热结构迅速改变,固态对流开始主导随后的地幔冷却过程。对于上地幔而言,其熔体向上渗滤的速度超过了固态对流的速度,因而上地幔熔体可以一直向上运移直至喷出地表,此时,大致会有0.06倍现今海洋规模的水量释放到大气中。而地表如果要形成海洋,在大气中含有200 barCO2情况下,大气中至少需要含有0.05倍现今海洋规模的水量。显然,上地幔熔体所释放的含水挥发分已经超过了这一阈值。尽管强烈的温室效应会使得地表温度超过100℃,但是此时的大气压较高,液态水仍能稳定存在(图1c)。因此,岩浆海固结之后,地表可能就很快就有海洋存在。 

1 岩浆海的固结过程与早期的大气演化密切相关(Miyazaki and Korenaga, 2022)。(a) 岩浆海固结初期,熔体中的挥发分封存在深部地幔;(b) 浅部岩浆层消失,熔体向上渗滤的速度超过了固态对流的速度;(c) 上地幔熔体向上运移直至喷出地表,将大量的水释放至大气中,冷凝形成海洋

  2. 不均一的地幔与较快的板块运动速度 

  有研究表明,板块构造在冥古宙时期是可能存在的,因而CO2可以通过碳酸盐的形成和俯冲来移除。CO2在冥古宙时期的分压已经低至1bar,这意味着有超过100 barCO2进入地幔,但通常认为,更热的地幔通常会有更厚的亏损的岩石圈地幔,因而也会有更为缓慢的板块运动速度。因此,冥古宙时期更热的地幔并不一定意味着更高的CO2封存效率。但MiyazakiKorenaga认为,岩浆海内部的分离结晶会形成不均一的地幔,进而会加快碳循环过程。 

  在岩浆海的熔体层,岩浆海的分异过程由布里奇曼石的分离结晶主导,富Mg的物质组成了早期的下地幔,而残余的富Fe的较重的物质构成了早期的上地幔。这种重力不稳定的结构很容易受到小尺度瑞利泰勒不稳定的影响,其后果是:在岩浆海固结的末期,富Fe物质会呈液滴状存在于高Mg的辉石岩基质中。这种小尺度不均一的地幔很难发育巨厚的亏损岩石圈地幔,因而可以实现较快的板块运动和较高的碳封存效率。 

  而相比于均一地幔的模型,不均一的地幔更可能在冥古宙末期演化出宜居的表生环境。他们构建的岩浆海固结模型中,辉石岩构成了约75%的地幔组分。以辉石岩为主的地幔组分初始熔融深度在4 GPa左右,并在2 GPa深度脱水,形成厚约40km的亏损岩石圈地幔。而以地幔岩为主的地幔组分初始熔融深度为10 GPa。由于地幔岩含水量较低,因此脱水过程较快,所形成的亏损岩石圈地幔较厚,可达到145km。而较薄的亏损的岩石圈地幔是快速板块运动的关键。对于不均一的地幔,板块运动的速率大致为50 cm/yr,可以实现碳酸盐矿物的快速循环。计算表明,即使假设俯冲的碳酸盐中仅有一半循环进入地幔,在160 百万年内,仍会有200 barCO2从大气移除,循环进入地幔中。而对于均一的冥古宙地幔模型,其所对应的板块运动速度和碳循环效率都更为缓慢,在冥古宙末期不可能形成宜居的表生环境。 

  此外,化学上不均一的地幔也具有较高的富Fe橄榄石含量,有利于蛇纹岩化作用的进行。蛇纹岩化作用可以释放氢气和甲烷。氢气和甲烷都与生命的演化息息相关。光合作用出现以前,甲烷的厌氧氧化作用可能促进了早期生命的发育。在现今大西洋洋中脊的Lost City热液活动区,人们已经观察到一些微生物利用氢气和甲烷创造出多样的生物群落。这一区域的岩性似乎与冥古宙地幔的岩性类似。因此在冥古宙早期,广泛发育的辉石岩可能会有助于形成与Lost City类似的海底环境,为生命的起源和演化奠定了基础。 

  总之,他们的研究表明,岩浆海固结之后形成的含水的不均一的地幔,是海洋形成、板块构造开始和温室气体急剧减少的关键所在,为此后宜居环境的形成和生命的出现奠定了物质基础。    

  主要参考文献 

  Korenaga J. Hadean geodynamics and the nature of early continental crust. Precambrian Research, 2021, 359: 106178. 

  Miyazaki Y, Korenaga J. A wet heterogeneous mantle creates a habitable world in the Hadean[J]. Nature, 2022, 603: 86-90.原文链接 

  Rosas J C, Korenaga J. Rapid crustal growth and efficient crustal recycling in the early Earth: Implications for Hadean and Archean geodynamics[J]. Earth and Planetary Science Letters,2018, 494: 42-49. 

  Sleep N H, Zahnle K J, Lupu R E. Terrestrial aftermath of the Moon-forming impact. Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences, 2014, 372: 20130172. 

  (撰稿:刘鹏,毛梦霞/岩石圈室)

 
亿百体育:emc易倍 邮 编:100029 电话:010-82998001 传真:010-62010846
版权所有© 2009- emc易倍 emc易倍 emc易倍
XML 地图