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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)

 
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