中国科大吴忠庆教授团队：水诱导的地幔倒转可解释太古宙强磁场 | NSR|中国科大|地幔倒转|地核|地磁场|大陆|太古宙|岩浆

近日，中国科学技术大学吴忠庆教授团队在早期地球与地磁场演化方面取得重要进展。相关成果以“Water-Induced Mantle Overturn Explains High Archean Paleointensities”为题，发表在国际顶级期刊National Science Review（《国家科学评论》，NSR）。

该研究发现地幔倒转期间核幔边界冷却加速，从而增强了核幔边界热流和地磁场。这意味着地幔倒转事件不仅能够解释太古宙大陆集中出现及太古宙前后全球性岩性转变等现象，还为太古宙的强磁场提供了合理机制。

太古宙异常强磁场难以解释

多项古地磁研究一致显示地磁场强度在~35亿年开始增强，直到~25亿年重新衰减回低值。传统的地磁场理论难以解释这一现象：

1）由高电导率的岩浆洋对流产生的磁场应该从45亿年开始逐渐衰减，并且地球自转会显著降低岩浆洋对流速度，岩浆洋发电机能否真正启动仍存在争议。

2）地核顶部轻元素的析出可以通过热化学对流增强地磁发电机，但轻元素的析出时间和速率仍存在很大的不确定性。

水诱导的地幔倒转

形成月球的撞击可能融化了整个地幔，导致了全球性的岩浆洋。高压领域的研究发现岩浆洋是从地幔中部开始结晶的，从而将其分隔形成了基底岩浆洋和外部岩浆洋。吴忠庆教授团队提出，随着基底岩浆洋的进一步冷却和结晶，那些不易进入固体的水逐渐在基底岩浆洋中富集，使其密度下降并变得不稳定。最终，这一富水岩浆洋在太古宙末期快速上涌，触发了地幔倒转事件(Wu et al., 2023)。炽热且富水的上涌岩浆不仅为太古宙大陆的形成提供了必要的物质基础与形成条件，还为多种看似独立的地质观测现象提供了统一的解释，例如岩石特性在太古宙前后的全球性变化、大火成岩省的广泛发育(Wu, 2024; Wu and Zhao, 2022)。

地幔倒转加速核幔边界冷却，增强核幔边界热流和磁场强度

地幔倒转过程中，基底岩浆洋的上涌中将热量从核幔边界迅速传输至浅部。由于大陆生长记录反映了深部岩浆的上涌历史，该研究参考大陆的生长曲线估算了基底岩浆洋厚度的变化，并结合岩浆洋固相线和绝热线的关系建立了核幔边界热演化模型。结果显示，地幔倒转期间核幔边界的温度快速下降，从而导致了核幔边界热流的增加，而地磁发电机强度对该热流值十分敏感。参数化的发电机模型表明，由地幔倒转导致的核幔边界高热流可以显著增强地磁场强度。

图1. (a) 基底岩浆洋厚度演化；(b)核幔边界冷却历史。

图2. 地幔倒转期间核幔边界冷却速率。(a) 平均绝对冷却速率；(b) 最大绝对冷却速率；(c) 平均相对冷却速率；(d) 最大相对冷却速率。

图3. 核幔边界热流及虚拟偶极矩（表征地磁场强度）的演化。(a), (c)代表低放射性能量贡献；(b), (d)代表高放射性能量贡献。(e), (f)表示不同参数下虚拟偶极矩的演化。

地幔倒转自然地解释了3.5–2.5 Ga的异常强磁场

太古宙强磁场的演化主要受到岩浆洋寿命，地幔倒转前的地核冷却速度和地核绝热热流控制。虽然目前地核绝热热流的约束很差，但无论是采用报道的最低数值3 TW，还是最高数值28 TW。都可以在合理的模型参数范围内来复现太古宙地磁场强度观测，通常来说更高的热流值需要更高的冷却速度，并倾向于更小的岩浆洋寿命。当岩浆洋寿命为~2.3 Gyr时，无论绝热热流取何值，考虑地幔倒转的地磁发电机模型都可以很好地吻合观测。国际著名古地磁学家 John A. Tarduno 教授指出，理论模型与太古宙古地磁强度观测相互独立却取得了高度一致结果，成功表明观测数据和理论模型的可靠性。该研究为理解地磁发电机和地幔演化提供了重要线索。

图4. 图(a)-(e)以及(k-o)表示虚拟偶极矩（表征地磁场强度）的演化；图(f)-(j)以及(p-t)表示模型和古地磁记录的偏差。蓝色为本研究的结果，符号来源于 Tarduno 等人的汇编数据，红色线条为最新古地磁数据库的蒙特卡洛平均。

图5. 地幔倒转示意图。在地幔倒转过程中，大规模热柱上涌至地表，促进太古宙大陆的形成；与此同时，随着基底岩浆洋被移除，核幔边界温度迅速下降，从而显著增强当时的地磁发电机。地幔倒转结束后，核幔边界和地核恢复到相对稳定的状态。

展望

水诱导的地幔倒转持续了数十亿年，并涉及整个地幔。地幔倒转在时间和空间尺度上都与板块构造具有可比性，但我们对地幔倒转的许多方面仍知之甚少。地幔倒转对早期地球产生了多方面的影响，例如太古宙大陆的形成以及古地磁场的演化，这些影响对于约束地幔倒转过程具有重要意义。

中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授为该论文的通讯作者，博士生王冬为第一作者。

该研究受到国家自然科学基金原创探索计划项目(42350004)和国家杰出青年科学基金(41925017)资助，部分计算在中国科学技术大学超级计算中心和合肥先进计算中心完成。

【参考文献】

Wu, Z. (2024). Water Induced Mantle Overturn and Origin of the Archean Crust.

Advances in Earth Science

39

(6), 551-564.

Wu, Z., Song, J., Zhao, G., & Pan, Z. (2023). Water-Induced Mantle Overturns Leading to the Origins of Archean Continents and Subcontinental Lithospheric Mantle.