地球地幔凝固必然导致基底岩浆海洋形成：重塑地球演化认知的关键发现

《Nature》：Solidification of Earth’s mantle led inevitably to a basal magma ocean

为解决地球地幔深部结构成因及岩浆海洋凝固机制的争议问题，研究人员开展地球地幔凝固形成基底岩浆海洋（BMO）的研究。结果显示 BMO 形成受富 FeO 硅酸盐控制，且地幔成分存在垂直混合。该研究为理解地球演化提供新视角。

　　地球，这颗蓝色星球，从诞生之初便充满了神秘色彩。在地球演化的漫长历程中，地幔的凝固过程一直是科学界关注的焦点。以往研究认为，地幔深部的地球物理结构可能源于原始基底岩浆海洋的凝固，但对于凝固究竟是自下而上还是自上而下发生，学界始终争论不休。这一争议不仅关乎地球早期演化的细节，更影响着人们对地球内部结构和动力学的理解。此外，地幔岩石中记录的岩浆分异过程的同位素异常，也暗示着地幔保存着早期化学不均一性，而这些与岩浆海洋凝固之间的关系也亟待明确。为了解开这些谜团，来自法国巴黎西岱大学（Université Paris Cité）、加拿大约克大学（York University）等机构的研究人员开展了深入研究，相关成果发表在《Nature》杂志上。

研究人员运用一种新的多相流体动力学方法，结合熔化相平衡关系和地球化学模型，对地球地幔凝固过程进行数值模拟。该方法利用 Bambari 数值代码，基于平均化方法实现多相流数学形式化，能够有效考虑热化学对流、固 - 熔相平衡等多种因素。

研究结果如下：

• 基底岩浆海洋的形成：研究发现，无论液相线和绝热线在何处相交，核心上方总会形成富铁的基底岩浆海洋（BMO）。在模拟中，即使考虑最不利于 BMO 形成的情况，即绝热线与液相线在 mantle 底部相交，BMO 仍会在演化的最后阶段形成。这是由于富 FeO 的固体和液体在核心 - 地幔边界（CMB）积累，富 FeO 的固体熔点低会重熔，而富 FeO 的熔体因密度大于固体，在负浮力作用下向下迁移，共同促进了 BMO 的形成。
• 地幔固体的形成与迁移：在岩浆海洋演化的早期阶段，大量固体在地球表面形成。这是因为地球表面温度降至固相线以下，使得富含晶体的浅层变得不稳定，以冷的下降流形式下沉。在下降过程中，固体起初会逐渐重熔，但随着岩浆海洋进一步冷却，来自浅层的固体开始在 lower mantle 积累。这些固体并非源于 deep mantle 熔体的结晶，而是携带了低压分异产生的化学特征，相对富含 FeO 和不相容元素。
• 固体 - 液相分离的作用：固体 - 液相分离效率对岩浆海洋的演化至关重要。通过研究熔体迁移率数（δ）等参数，发现当晶体尺寸大于一定值时，熔体能够从固体中分离出来。在地球岩浆海洋的实际条件下，相分离预计是高效的，能够主导化学分异过程。
• 地球化学影响：研究分析了岩浆海洋凝固对原始地幔不均一性的影响。结果表明，上地幔固体显示出超球粒陨石的 Lu/Hf 比值，而下地幔 BMO 上方的固体则显示出亚球粒陨石的 Lu/Hf 比值。此外，不同深度的凝固和重熔产生了复杂的地球化学结构，低压矿物 - 熔体分馏对下地幔成分有重要贡献，这使得在不影响原始上地幔（PUM）中球粒陨石比值的情况下，下地幔硅酸盐能够发生更大程度的分异。
• 岩浆海洋脱气：研究人员通过模拟量化了岩浆海洋凝固过程中挥发性物质的脱气情况。结果表明，在岩浆海洋凝固超过流变转变后，地幔中可脱气的部分可忽略不计，这与稀有气体地球化学记录中早期形成的地球化学储层的保存相一致。

研究结论和讨论部分指出，该研究使用了最不利于 BMO 形成的条件进行模拟，却仍得出 BMO 必然形成的结论，这一结果不仅适用于地球，也可能适用于其他与地球成分相似的大型类地行星。此外，岩浆海洋凝固对固体地幔的地球化学印记远不如两箱地球化学模型预测的明显，这是由于凝固过程中广泛的垂直混合。PUM 的成分整合了浅层和深层地球化学组分的复杂混合物，且橄榄石 - 熔体微量元素分馏的特征在岩浆海洋凝固末期存在于下地幔，并可能在地质时期中保存下来。这一研究成果为重新解释现有的地球化学记录和地球物理观测提供了新的思路，有助于更好地重建地球从诞生到现在的热化学历史，增进人们对类地行星多样性的理解。