科学通报 | 地核出溶混染基底岩浆洋与深部地幔不均一性的成因

在我们脚下 2900 km 的地幔最深处, 并非一片沉寂. 那里隐藏着两个巨大的谜团——位于非洲大陆和太平洋板块下方的大型低波速省(LLVPs) [1] . 如同地震波给地球做CT扫描时发现的模糊阴影, 这些区域的地震波速异常偏低, 同时还散布着一些波速极低的“斑块”(超低速区, ULVZs). 它们是什么? 从何而来? 又如何经历数十亿年而不被地幔对流彻底搅匀? 这些问题一直困扰着地球科学家.

一个经典模型认为, 在地球形成初期, 遭受巨大撞击(如月球形成的大撞击事件)后, 全球曾处于熔融状态, 形成了一个深达地幔底部的岩浆洋. 随着地球的冷却固化, 重物质下沉, 轻物质上浮. 在地幔最底部, 可能残留过一个基底岩浆洋(BMO) [2] . 它的结晶分异可以产生富铁的致密物质, 这些物质堆积起来, 就可能形成了今天我们看到的LLVPs [3] .

然而, 这个看似完美的故事却有一个致命的破绽. 热力学相平衡计算表明, 由于液相线矿物布里奇曼石优先结晶, BMO在凝固过程中会迅速消耗硅酸盐熔体中的硅, 最终形成一个约 1000 km 厚的底层, 该层含有约20 wt%的铁方镁石 [4] . 但地震层析成像却告诉我们, 地幔底部的铁方镁石含量远低于此 [5] . 如果LLVPs真的来自古老的BMO, 那么就必须存在某种机制, 抑制了大量铁方镁石的形成.

我们的研究为此提供了一个可能的解决方案, 其灵感来自另一个前沿领域: 地核的演化. 地核并非一成不变. 随着地球的冷却, 地核中溶解的轻质元素(如氧、硅、镁等)会达到饱和, 并以氧化物的形式析出 [6] . 这一过程就是地核出溶. 由于氧化镁和二氧化硅的密度远远小于液态地核的密度, 这些氧化物出溶体会向核幔边界运移和聚集. 如果此时上覆地幔已经冷凝固结, 出溶体在核幔边界不断堆积, 最终会以底辟的形式向上刺穿地幔数百公里 [7] . 而如果地幔底部仍然存在一个液态的BMO, 出溶体将进入BMO并迅速溶解. 冷却中的地核就这样源源不断地向BMO供给氧化镁和二氧化硅. 我们将这个模式称为“地核出溶混染岩浆洋”(BECMO), 其包含了BMO的凝固和地核物质的出溶这两个关键过程.

通过热力学模拟, 我们对比了传统BMO和BECMO的固结和分异过程. 对于传统的BMO模型, 岩浆洋固结时, 首先结晶的是布里奇曼石. 它会大量消耗熔体中的硅, 导致残余熔体极度富铁, 最终结晶形成巨厚的富铁方镁石的致密层. 而地核出溶物质的加入彻底改变了BMO的成分和结晶矿物组成. 由于地核中硅的丰度远高于镁, 且二氧化硅析出的热力学驱动力比氧化镁更强, 导致二氧化硅从地核中的出溶速率和总量都远远超过氧化镁. 因此, BMO中因布里奇曼石结晶而消耗的硅得到了来自地核的持续补充. 这强烈抑制了铁方镁石的大量结晶, 使得BECMO结晶的产物转变为以布里奇曼石和赛石英为主的矿物组合 [8] . 与传统的BMO模型预测的极高铁方镁石含量相比, 该层的铁被有效稀释, 其密度远低于富含铁方镁石的BMO底层, 但又高于上方的正常地幔, 从而形成一个具有中等密度的富硅层, 该成分特征与地震学观测揭示的低铁方镁石含量一致. 随后我们通过高分辨率地球动力学模拟追踪了这些BECMO固结物质的命运. 模拟显示, 这些中等密度物质被地幔对流扰动、搬运, 最终在核幔边界上方聚集形成巨大的化学堆垛体, 这与观测到的LLVPs吻合. 同时, 一些最致密的物质滞留在最底部, 形成了波速极低的ULVZs斑块( 图1 ) [8] .

图1

地核出溶混染岩浆洋(BECMO)的形成和演化示意图. (a) 地球形成初期曾经历全球性的熔融事件, 随着地幔的冷却、结晶, 在地幔最底部形成了一个基底岩浆洋(BMO). (b) 从地核中出溶的二氧化硅持续加入BMO, 抑制了铁方镁石的结晶, 并在地幔底部形成一层由布里奇曼石和赛石英为主的中等密度层, 该层在地幔对流的作用下最终演化成大型低波速省(LLSVPs)和超低速区(ULVZs) [8]

BECMO模型不仅解释了LLVPs和ULVZs等地球物理观测现象, 也建立了与同位素地球化学观测的联系. 由于地核物质亏损30Si [9] 和182W [10] , 富集3He [11] . 当继承了地核同位素组成的出溶物质溶解到BMO中, 这些核素特征也随之注入. 因此, BECMO物质可能兼具BMO和地核的双重地球化学特征. 而这恰好可以解释某些来自地幔深部的洋岛玄武岩中观察到的轻硅同位素、182W负异常以及高3He/4He比值.

BECMO模型描绘了一幅地球早期演化的新图景: 地核出溶与BMO的相互作用共同塑造了地幔最深部的物理和化学结构. 这个模型调和了地震学、地球动力学和地球化学之间看似矛盾的证据, 为理解深部地幔不均一性起源提供了新的视角, 弥补了我们对地幔动力学和地球深部演化认识上的关键空白. 相关研究成果发表在 Nature Geoscience [8] . 未来, 我们需要更精细的三维模拟来验证ULVZs的分布范围, 也需要更多的实验来约束地核出溶的速率和成分. 但可以肯定的是, 地球的核幔边界是一个远比我们想象中更为动态和活跃的界面, 地核与地幔之间持续数十亿年的物质和能量交换, 是驱动地球演化的核心引擎之一.

参考文献

[1] Garnero E J, McNamara A K, Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth’s mantle . Nat Geosci , 2016 , 9: 481 -489

[2] Boukaré C É, Badro J, Samuel H. Solidification of Earth’s mantle led inevitably to a basal magma ocean . Nature , 2025 , 640: 114 -119

[3] Pachhai S, Li M, Thorne M S, et al. Internal structure of ultralow-velocity zones consistent with origin from a basal magma ocean . Nat Geosci , 2021 , 15: 79 -84

[4] Boukaré C, Ricard Y, Fiquet G. Thermodynamics of the MgO-FeO-SiO2 system up to 140 GPa: application to the crystallization of Earth’s magma ocean . J Geophys Res Solid Earth , 2015 , 120: 6085 -6101

[5] Deng X, Xu Y, Hao S, et al. Compositional and thermal state of the lower mantle from joint 3D inversion with seismic tomography and mineral elasticity . Proc Natl Acad Sci USA , 2023 , 120: e2220178120

[6] Hirose K, Morard G, Sinmyo R, et al. Crystallization of silicon dioxide and compositional evolution of the Earth’s core . Nature , 2017 , 543: 99 -102

[7] Helffrich G, Ballmer M D, Hirose K. Core-exsolved SiO2 dispersal in the Earth’s mantle . J Geophys Res Solid Earth , 2018 , 123: 176 -188

[8] Deng J, Miyazaki Y, Yuan Q, et al. Deep mantle heterogeneities formed through a basal magma ocean contaminated by core exsolution . Nat Geosci , 2025 , 18: 1056 -1062

[9] Shahar A, Hillgren V J, Young E D, et al. High-temperature Si isotope fractionation between iron metal and silicate . Geochim Cosmochim Acta , 2011 , 75: 7688 -7697

[10] Kleine T, Touboul M, Bourdon B, et al. Hf–W chronology of the accretion and early evolution of asteroids and terrestrial planets . Geochim Cosmochim Acta , 2009 , 73: 5150 -5188

[11] Olson P L, Sharp Z D. Primordial helium-3 exchange between Earth’s core and mantle . Geochem Geophys Geosyst , 2022 , 23: e2021GC009985

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