地球早期形成演化历史研究进展

地核早期演化模型。白色菱形为布里奇曼石，蓝色方块代表铁方镁石，紫色圆点代表地核析出物。黑色箭头代表磁场。红色箭头代表地核的对流。蓝色s型曲线代表地核的冷却速率。（a）地球早期到42亿年，岩浆洋结晶程度小于60%，岩浆洋快速冷却，对应为地核快速降温区间。快速降温释放的热能驱动对流产生磁场。（b）42到35亿年，岩浆洋结晶程度大于60%，地核开始缓慢降温，可能有较弱磁场。（c）35到13亿年，以氧化镁为主的硅酸盐或氧化物析出开始，地磁场重新转强。在之后历史演化过程中，析出速率逐渐降低，地磁场强度逐渐下降（d）最后在13亿年，内核开始形成，地核发电机获得了新的能量源，地磁场强度再次变强。以上演化步骤与古地磁场强度演化能够一一对应

（化石网报道）据中国科学院地质与地球物理研究所：古地磁研究表明，地磁场已经持续运转了至少35亿年，其最早的起源时间甚至可以追溯至42亿年前（Tarduno et al., 2015）。地磁场由地核“发电机”产生，通过地球外核中液态铁的对流驱动。标准模型认为地磁发电机能量源由四部分组成：（1）地核冷却；（2）内外核边界的轻元素释放；（3）放射性元素衰变；（4）地球的进动。但是，第一性原理计算和随后的高温高压实验表明地核的热导率比原来估算的高很多（Pozzo et al.，2012；Ohta et al.，2016）。地核具有高热导率的后果是标准模型中的能量会通过热传导的形式耗散掉，从而没有足够的能量去驱动对流，导致地磁场的能量严重缺失。这一问题被称为“新的地核悖论”（New Core Paradox；Olson, 2013）。

O'Rourke and Stevenson (2016) 提出从地核中析出的镁可以作为标准模型之外的地核发电机能量源。镁在过去一直被认为是亲石元素，不会进入到地核中，但他们提出通过大撞击能够将大量的镁在地球历史早期挤入地核中。他们认为镁在地核中的溶解度强烈依赖于温度，温度越高，溶解度越大。在这种情况下，镁可以随着大撞击提供的高温大量进入到初始地核中。之后，随着地核的逐渐降温，镁逐渐析出，为地磁场提供能量。这一假说巧妙地将大撞击、核幔分异、岩浆洋演化、地磁起源等地球早期重大事件结合了起来。该假说的核心关键是镁的溶解度是否具有强温度依赖性，以及镁的析出是否能在35亿年前开始为地磁场提供足够的能量。针对这些关键问题，目前仍然有较大的争议（如Badro et al., 2016；Du et al., 2017）

中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室硕士生刘为一与导师张毅刚研究员等，通过第一性原理分子动力学的计算，获得了大量镁的配分系数数据，并在此基础上研究地球早期的形成演化历史。结果显示镁的配分系数强烈依赖于温度(图1)。根据获得的镁的平衡常数与温度的关系式，结合根据古地磁强度数据建立的地核热演化模型，他们发现镁能够在35亿年前开始析出(图2a)并为地磁场提供足够的能量(图2b)。他们进一步模拟了镁析出产生的磁场随时间的演化，发现其很好地符合了古地磁强度的长期变化趋势。该项研究为地球早期地磁场强度变化提出了新的解释机制，即磁场强度的突然增大然后逐步走低可能代表了镁析出产生磁场的典型特征，随后磁场的再次突然增强可能代表了内核开始形成，地磁场获得了新的能量源。据此，他们建立了早期地核演化图景。

研究成果发表于国际权威学术期刊Earth and Planetary Science Letters。研究受中科院先导专项B、国家自然科学基金资助。

相关报道：NC：Jack Hills锆石微量元素反演早期地壳组成

（化石网报道）据中国科学院地质与地球物理研究所：“地球黑暗时期（地球诞生后最初的5亿年，4.5-4.0 Ga）究竟发生了什么”是21世纪固体地球科学的十大研究问题之一（美国国家科学院固体地球科学重大研究问题委员会，2010）。在澳大利亚Jack Hills地区的变沉积岩中，保留了大量地球早期的碎屑锆石（以下简称Jack Hills锆石），其中最古老的年龄可达4.36 Ga。因而Jack Hills锆石成为了探索地球黑暗时期地质演化的最重要窗口。

近20年来，研究者利用各类地球化学方法（例如Ti温度计、REE氧逸度计、O同位素、Hf同位素、Li同位素、包体矿物等）探索保存在Jack Hills锆石中的早期地球的地壳组成信息。然而，关于早期地球的地壳组成和形成机制仍未有定论。例如，早期地球的地壳是镁铁质的还是长英质的？有没有沉积物加入早期地球的岩浆源区？Jack Hills锆石的母岩浆是TTG，俯冲有关的弧岩浆，板内镁铁质岩浆，还是冲击成因的岩浆？

近期，研究者发现Jack Hills锆石的微量元素组成中蕴含了早期地球的地壳组成信息。其中最有代表性的工作为2017年澳大利亚国立大学的Andrew Berry教授课题组发表于Nature Geoscience的研究以及2020年澳大利亚麦考瑞大学Simon Turner教授及其合作者发表于Nature Communication的研究，两者都通过构建判别图解的方法，尝试探索Jack Hills锆石的母岩浆组成。

前者建立了锆石微量元素的REE+Y vs P图解，并且发现Jack Hills锆石的微量元素组成在图解中明显不同于S型花岗岩锆石（往往P＞20μmol/g）而接近于I型花岗岩锆石（往往P＜20μol/g），推断Jack Hills锆石的母岩浆成分可能更接近I型花岗岩，即类似于TTG（Burnham and Berry，2017）。后者通过使用分配系数将锆石微量元素转化为熔体微量元素，进而运用经典的Pearce图解示踪Jack Hills锆石的母岩浆成分（Turner et al., 2020），最终得出Jack Hills锆石的母岩浆与现代俯冲环境的弧岩浆（安山岩）相近的结论。

基于Jack Hills锆石的微量元素组成，两个研究团队得出早期地球的地壳具有完全不同的成分（TTG vs 安山岩），这意味着其中至少一个研究是不可靠的。幸运的是，我们有机会看到其他研究者和评审专家对这两篇文章的评述。其中Bell (2017)在Nature Geoscience撰文指出，REE+Y vs P图解在P＜20μmol/g的区域具有显著的重叠，大大削弱了其预测Jack Hills锆石母岩浆成分的准确性，其结论无法支持绝大多数Jack Hills都结晶自TTG的结论。Turner et al. (2020)的审稿人2委婉指出，使用分配系数反演Jack Hills锆石母岩浆成分的可靠性是难以评估的(I can’t evaluate if these composition estimates are robust or how dependent they are on the choice of partition coefficients) 。

综上所述，这两篇Jack Hills锆石微量元素研究虽然为早期地球的地壳组成提供了一定的参考和制约，但由于本身存在一定的问题，使其难以真实准确地揭示早期地球的地壳组成。事实上，锆石微量元素组成的影响因素是非常复杂的，它不仅仅受岩浆成分的控制，还会受到诸如岩浆演化（例如矿物的分离结晶）、包体矿物、后期蚀变、晶格结构（例如晶格应变模型）等因素的影响（Zou et al., 2019）。因此，从锆石微量元素中提取出能够真实反映岩浆组成的信息，是利用Jack Hills锆石微量元素反演早期地球的地壳组成的核心前提。这要求研究者从原理上进一步深化对锆石微量元素形成机制的认识、进一步加深对锆石微量元素指标和图解主控因素的认识。但无论如何，锆石微量元素正日益展现出示踪岩浆组成与岩浆过程的巨大潜力。