早期地球的熱管構(gòu)造:來自木衛(wèi)一的啟示
發(fā)布時間：2022-01-21 10:23
構(gòu)造體制極大地制約著地球和其他太陽系類地天體（類地行星、巖石質(zhì)衛(wèi)星和小行星等）的地表散熱、內(nèi)部溫度和物質(zhì)演化�，F(xiàn)有的少量地質(zhì)記錄表明,地球在板塊構(gòu)造啟動之前就存在非�；钴S的"前板塊構(gòu)造"運動并可能對其早期殼幔分異產(chǎn)生了重要的影響,在這些構(gòu)造體制下,物質(zhì)和能量循環(huán)的規(guī)模和速率可能是后續(xù)的板塊運動無法比擬的。但受限于早期地質(zhì)記錄的稀缺以及研究手段不成熟等因素,對前板塊構(gòu)造運動的研究一直被學(xué)界所忽視,人們對其的認(rèn)識主要局限于停滯蓋層（stagnant-lid tectonics）等。長期以來的空間探測和地基觀測表明,木星系統(tǒng)的木衛(wèi)一存在大規(guī)模的火山活動,隨之形成了極高的地表熱流和地表更新速率以及活躍的造山作用。這些觀測事實不同尋常,顛覆了人們對類地天體構(gòu)造演化模式的一些固有認(rèn)識,需要新的構(gòu)造模式——"熱管構(gòu)造"（heat-pipe tectonics）予以解釋,其涵義為:類似木衛(wèi)一上的大規(guī)模火山作用可使類地天體的軟流圈-巖石圈-地表之間發(fā)生快速的物質(zhì)和能量循環(huán),該循環(huán)以巖漿的形成-上升-噴發(fā)-冷卻和沉降-折返為主要形式,可將天體內(nèi)部的熱散快速散發(fā)到外太空。上述過程涉及類地天體內(nèi)、外部之間物質(zhì)...
【文章來源】：巖石學(xué)報. 2020,36(12)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：18 頁
【部分圖文】：
木衛(wèi)一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巖石圈垂向物質(zhì)循環(huán)示意圖(據(jù)Davies,2007b;Anderson et al.,2001;Moore et al.,2007繪制)
對類地天體演化的突破性認(rèn)識來自太陽系太空探索和相關(guān)比較行星學(xué)研究成果的啟示。自20世紀(jì)50年代美國和前蘇聯(lián)兩國間展開太空競賽以來，人類不遺余力地開展太空探測，包括美國對木星體系開展的多次探測。其中，“旅行者號”和“伽利略號”探測項目大獲成功，先后證實并長期觀測了木衛(wèi)一的火山活動，它們與后續(xù)的“卡西尼號”、“新視野號”和“朱諾號”等探測器一起獲取了大量極具科學(xué)價值的數(shù)據(jù)，相關(guān)研究成果刷新了人類對太陽系類地天體演化的眾多固有認(rèn)識(Morabito et al.,1979;Johnson et al.,1988;Veeder et al.,1994;Spencer et al.,2000b;Kargel et al.,2003;Bland and Mc Kinnon,2016)。木衛(wèi)一(Io)是木星的第三大衛(wèi)星和太陽系內(nèi)第四大衛(wèi)星(圖1)。探測資料表明其表面存在十分活躍的火山活動，甚至存在超基性巖漿活動的跡象(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)，其地幔因強烈的潮汐加熱而發(fā)生了大規(guī)模熔融并可能形成了全球性的淺部“巖漿洋”(Khurana et al.,2011)。從太陽系內(nèi)各類地天體各自現(xiàn)有的地質(zhì)記錄來看，木衛(wèi)一與冥古宙-太古宙時期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等類地天體存在一定相似性(Huppert et al.,1984;Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000;Moresi,2013)。地球上的超基性火山作用僅限于25億年以前，是其內(nèi)部高地溫環(huán)境的特有產(chǎn)物(Ernst,2009;Gill,2010;Herzberg et al.,2010;張旗和翟明國，2012)，表明早期地球在地溫環(huán)境方面可能與現(xiàn)今木衛(wèi)一相似(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)。此外，一般認(rèn)為類地天體只有在與其他星子、星胚間發(fā)生的劇烈撞擊以及內(nèi)部發(fā)生核幔分異和放射性元素衰變生熱等劇烈的內(nèi)、外地質(zhì)作用條件下才會發(fā)生大規(guī)模熔融并形成巖漿洋(Stevenson,2008;Elkins-Tanton,2012)，盡管該過程僅限于吸積階段，卻控制了類地天體內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地質(zhì)記錄的缺失使相關(guān)研究難以有效推進。木衛(wèi)一為人們展示了在強烈內(nèi)生熱作用下，其地�？砂l(fā)生大規(guī)模熔融并導(dǎo)致極其活躍的火山作用和由此引發(fā)的劇烈構(gòu)造運動。由于木衛(wèi)一內(nèi)部的動力學(xué)狀態(tài)應(yīng)與冥古宙-太古宙地球類似，是探究早期地球乃至所有太陽系類地天體的早期動力學(xué)異常難得的樣本。來自木衛(wèi)一的眾多觀察事實如按停滯蓋層、板塊構(gòu)造等現(xiàn)有的“常規(guī)”構(gòu)造體制來解釋往往自相矛盾、難以共存(Johnson et al.,1979;Mc Ewen et al.,1997;Carr et al.,1998;Schenk et al.,2001;Keszthelyi et al.,2004)。大規(guī)�；鹕降拇嬖诤偷乇砀邿崃魈卣鞣从沉四拘l(wèi)一處于一種新構(gòu)造體制———熱管構(gòu)造(heat-pipe tectonics)下(O"Reilly and Davies,1981;Turcotte,1989;Moore and Webb,2013;Kankanamge and Moore,2016)。這一構(gòu)造體制很好地解釋了木衛(wèi)一較高的地表熱流、活躍的造山作用的成因。本文總結(jié)了40多年以來人類對木衛(wèi)一的火山作用、構(gòu)造體制和動力學(xué)演化的主要發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識，探討了木衛(wèi)一熱管構(gòu)造的性質(zhì)、發(fā)生條件，討論了地球和其他類地天體早期產(chǎn)生熱管構(gòu)造的可能性。
結(jié)果表明，木衛(wèi)一表面存在400多個火山成因的熱異常點(包括160多座活火山)且?guī)缀鯖]有隕石坑(圖1、圖2)，反映其火山活動廣泛而劇烈，噴發(fā)物正快速覆蓋并更新地表(Johnson et al.,1979;Blaney et al.,1995;Williams et al.,2011)。大規(guī)模的火山噴發(fā)可大致分三類(Williams and Howell,2007):(1)火山口內(nèi)型(intra-paterae type):這類火山作用表現(xiàn)為巖漿在眾多大型火山口(平均直徑42km、深1～2km)內(nèi)聚集和噴發(fā)(圖1b、圖2c,f,g,j)(Radebaugh et al.,2001;Howell et al.,2014;Ahern et al.,2017)，是木衛(wèi)一主要的火山噴發(fā)形式和對外散熱途徑(Radebaugh et al.,2001;Lopes and Spencer,2007;Veeder et al.,2012);(2)溢流型(flowdonimated type):以相對貧揮發(fā)分的熔巖持續(xù)(每次持續(xù)數(shù)年)而穩(wěn)定溢出并大范圍覆蓋地表為特征，典型的火山為Prometheus火山(圖2d,e,h)和Amirani火山(圖2i)，其熔巖流覆蓋面積可超過6700km2，流動距離可超達(dá)300km;(3)爆發(fā)型(explosion-dominated type):以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山為代表(圖2d,e)，其噴發(fā)時巖漿從火山口或裂隙中快速、短暫(僅持續(xù)數(shù)天至數(shù)周)而猛烈地噴發(fā)，因受木衛(wèi)一重力場較弱、大氣層極其稀薄等因素影響，這類噴發(fā)往往形成高達(dá)500km，噴射速度達(dá)0.4～1km/s，由S、SO2氣體和塵埃組成的大型流束和巨型暈狀沉積物(圖2b,g)(Strom et al.,1981;Mc Ewen and Soderblom,1983;Spencer et al.,2000b;Kargel et al.,2003;Jessup et al.,2007;Spencer et al.,2007;de Pater et al.,2014b;de Kleer and De Pater,2016)，可快速改變木衛(wèi)一表面形態(tài)(圖2d-g)(Geissler et al.,1999;Keszthelyi et al.,2001;Kargel et al.,2003;Geissler et al.,2004)，是太陽系已知最為壯觀的火山活動。長期監(jiān)測表明木衛(wèi)一的火山噴發(fā)活動是動態(tài)變化的。例如，Tvashtar火山口在不同時期內(nèi)可由火山口內(nèi)型、溢流型或爆發(fā)型噴發(fā)主導(dǎo)(Spencer et al.,2007)，而Prometheus熔巖流的火山口在其周圍沉積了前期爆發(fā)式噴發(fā)形成的暈狀噴發(fā)物沉積(圖2i)。在火山噴發(fā)物成分方面，首先發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一表面不同尋常地覆蓋有鮮艷的黃、白、紅-棕和黑-灰色物質(zhì)(圖1、圖2)，它們分別覆蓋了39%、26%、31%和1%的表面積(Geissler et al.,1999)。根據(jù)對光譜數(shù)據(jù)的解譯，這些物質(zhì)是硫(S8)、SO2霜、亞穩(wěn)態(tài)硫(S2、S3和S4，由S8蒸發(fā)/升華、冷凝/凝華而來)和硅酸鹽物質(zhì)，沒有水存在的跡象(Johnson et al.,1988;Mc Ewen et al.,1997,1998;Williams et al.,2000;Geissler et al.,2004;Keszthelyi et al.,2006)。雖然木衛(wèi)一表層幾乎被硫和硫化物覆蓋，但紅外測溫表明其地表新噴發(fā)熔巖的溫度整體較高(1200～1400K)，與玄武質(zhì)熔巖一致(Mc Ewen et al.,1997;Spencer et al.,2007)。因此，目前認(rèn)為木衛(wèi)一的地表火山噴發(fā)物乃至地殼整體上以鎂鐵質(zhì)硅酸鹽成分為主，而表層的淺色硫/硫化物火山沉積則是硅酸鹽巖漿火山活動的次級產(chǎn)物(Lunine and Stevenson,1985;Battaglia et al.,2014)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]華北克拉通構(gòu)造演化[J]. 翟明國. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報. 2019(05)
[2]Stagnant lid tectonics:Perspectives from silicate planets,dwarf planets, large moons,and large asteroids[J]. Robert J.Stern,Taras Gerya,Paul J.Tackley. Geoscience Frontiers. 2018(01)
[3]華北克拉通太古宙TTG巖石的時空分布、組成特征及形成演化:綜述[J]. 萬渝生,董春艷,任鵬,白文倩,頡頏強,劉守偈,謝士穩(wěn),劉敦一. 巖石學(xué)報. 2017(05)
[4]前寒武紀(jì)地球動力學(xué)（Ⅳ）:前板塊體制[J]. 李三忠,戴黎明,張臻,郭玲莉,趙淑娟,趙國春,張國偉. 地學(xué)前緣. 2015(06)
[5]太古宙TTG巖石是什么含義?[J]. 張旗,翟明國. 巖石學(xué)報. 2012(11)
[6]北秦嶺西段冥古宙鋯石（4.1～3.9Ga）年代學(xué)新進展[J]. 第五春榮,孫勇,董增產(chǎn),王洪亮,陳丹玲,陳亮,張紅. 巖石學(xué)報. 2010(04)
本文編號：3600086
【文章來源】：巖石學(xué)報. 2020,36(12)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：18 頁
【部分圖文】：
木衛(wèi)一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巖石圈垂向物質(zhì)循環(huán)示意圖(據(jù)Davies,2007b;Anderson et al.,2001;Moore et al.,2007繪制)
對類地天體演化的突破性認(rèn)識來自太陽系太空探索和相關(guān)比較行星學(xué)研究成果的啟示。自20世紀(jì)50年代美國和前蘇聯(lián)兩國間展開太空競賽以來，人類不遺余力地開展太空探測，包括美國對木星體系開展的多次探測。其中，“旅行者號”和“伽利略號”探測項目大獲成功，先后證實并長期觀測了木衛(wèi)一的火山活動，它們與后續(xù)的“卡西尼號”、“新視野號”和“朱諾號”等探測器一起獲取了大量極具科學(xué)價值的數(shù)據(jù)，相關(guān)研究成果刷新了人類對太陽系類地天體演化的眾多固有認(rèn)識(Morabito et al.,1979;Johnson et al.,1988;Veeder et al.,1994;Spencer et al.,2000b;Kargel et al.,2003;Bland and Mc Kinnon,2016)。木衛(wèi)一(Io)是木星的第三大衛(wèi)星和太陽系內(nèi)第四大衛(wèi)星(圖1)。探測資料表明其表面存在十分活躍的火山活動，甚至存在超基性巖漿活動的跡象(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)，其地幔因強烈的潮汐加熱而發(fā)生了大規(guī)模熔融并可能形成了全球性的淺部“巖漿洋”(Khurana et al.,2011)。從太陽系內(nèi)各類地天體各自現(xiàn)有的地質(zhì)記錄來看，木衛(wèi)一與冥古宙-太古宙時期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等類地天體存在一定相似性(Huppert et al.,1984;Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000;Moresi,2013)。地球上的超基性火山作用僅限于25億年以前，是其內(nèi)部高地溫環(huán)境的特有產(chǎn)物(Ernst,2009;Gill,2010;Herzberg et al.,2010;張旗和翟明國，2012)，表明早期地球在地溫環(huán)境方面可能與現(xiàn)今木衛(wèi)一相似(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)。此外，一般認(rèn)為類地天體只有在與其他星子、星胚間發(fā)生的劇烈撞擊以及內(nèi)部發(fā)生核幔分異和放射性元素衰變生熱等劇烈的內(nèi)、外地質(zhì)作用條件下才會發(fā)生大規(guī)模熔融并形成巖漿洋(Stevenson,2008;Elkins-Tanton,2012)，盡管該過程僅限于吸積階段，卻控制了類地天體內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地質(zhì)記錄的缺失使相關(guān)研究難以有效推進。木衛(wèi)一為人們展示了在強烈內(nèi)生熱作用下，其地�？砂l(fā)生大規(guī)模熔融并導(dǎo)致極其活躍的火山作用和由此引發(fā)的劇烈構(gòu)造運動。由于木衛(wèi)一內(nèi)部的動力學(xué)狀態(tài)應(yīng)與冥古宙-太古宙地球類似，是探究早期地球乃至所有太陽系類地天體的早期動力學(xué)異常難得的樣本。來自木衛(wèi)一的眾多觀察事實如按停滯蓋層、板塊構(gòu)造等現(xiàn)有的“常規(guī)”構(gòu)造體制來解釋往往自相矛盾、難以共存(Johnson et al.,1979;Mc Ewen et al.,1997;Carr et al.,1998;Schenk et al.,2001;Keszthelyi et al.,2004)。大規(guī)�；鹕降拇嬖诤偷乇砀邿崃魈卣鞣从沉四拘l(wèi)一處于一種新構(gòu)造體制———熱管構(gòu)造(heat-pipe tectonics)下(O"Reilly and Davies,1981;Turcotte,1989;Moore and Webb,2013;Kankanamge and Moore,2016)。這一構(gòu)造體制很好地解釋了木衛(wèi)一較高的地表熱流、活躍的造山作用的成因。本文總結(jié)了40多年以來人類對木衛(wèi)一的火山作用、構(gòu)造體制和動力學(xué)演化的主要發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識，探討了木衛(wèi)一熱管構(gòu)造的性質(zhì)、發(fā)生條件，討論了地球和其他類地天體早期產(chǎn)生熱管構(gòu)造的可能性。
結(jié)果表明，木衛(wèi)一表面存在400多個火山成因的熱異常點(包括160多座活火山)且?guī)缀鯖]有隕石坑(圖1、圖2)，反映其火山活動廣泛而劇烈，噴發(fā)物正快速覆蓋并更新地表(Johnson et al.,1979;Blaney et al.,1995;Williams et al.,2011)。大規(guī)模的火山噴發(fā)可大致分三類(Williams and Howell,2007):(1)火山口內(nèi)型(intra-paterae type):這類火山作用表現(xiàn)為巖漿在眾多大型火山口(平均直徑42km、深1～2km)內(nèi)聚集和噴發(fā)(圖1b、圖2c,f,g,j)(Radebaugh et al.,2001;Howell et al.,2014;Ahern et al.,2017)，是木衛(wèi)一主要的火山噴發(fā)形式和對外散熱途徑(Radebaugh et al.,2001;Lopes and Spencer,2007;Veeder et al.,2012);(2)溢流型(flowdonimated type):以相對貧揮發(fā)分的熔巖持續(xù)(每次持續(xù)數(shù)年)而穩(wěn)定溢出并大范圍覆蓋地表為特征，典型的火山為Prometheus火山(圖2d,e,h)和Amirani火山(圖2i)，其熔巖流覆蓋面積可超過6700km2，流動距離可超達(dá)300km;(3)爆發(fā)型(explosion-dominated type):以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山為代表(圖2d,e)，其噴發(fā)時巖漿從火山口或裂隙中快速、短暫(僅持續(xù)數(shù)天至數(shù)周)而猛烈地噴發(fā)，因受木衛(wèi)一重力場較弱、大氣層極其稀薄等因素影響，這類噴發(fā)往往形成高達(dá)500km，噴射速度達(dá)0.4～1km/s，由S、SO2氣體和塵埃組成的大型流束和巨型暈狀沉積物(圖2b,g)(Strom et al.,1981;Mc Ewen and Soderblom,1983;Spencer et al.,2000b;Kargel et al.,2003;Jessup et al.,2007;Spencer et al.,2007;de Pater et al.,2014b;de Kleer and De Pater,2016)，可快速改變木衛(wèi)一表面形態(tài)(圖2d-g)(Geissler et al.,1999;Keszthelyi et al.,2001;Kargel et al.,2003;Geissler et al.,2004)，是太陽系已知最為壯觀的火山活動。長期監(jiān)測表明木衛(wèi)一的火山噴發(fā)活動是動態(tài)變化的。例如，Tvashtar火山口在不同時期內(nèi)可由火山口內(nèi)型、溢流型或爆發(fā)型噴發(fā)主導(dǎo)(Spencer et al.,2007)，而Prometheus熔巖流的火山口在其周圍沉積了前期爆發(fā)式噴發(fā)形成的暈狀噴發(fā)物沉積(圖2i)。在火山噴發(fā)物成分方面，首先發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一表面不同尋常地覆蓋有鮮艷的黃、白、紅-棕和黑-灰色物質(zhì)(圖1、圖2)，它們分別覆蓋了39%、26%、31%和1%的表面積(Geissler et al.,1999)。根據(jù)對光譜數(shù)據(jù)的解譯，這些物質(zhì)是硫(S8)、SO2霜、亞穩(wěn)態(tài)硫(S2、S3和S4，由S8蒸發(fā)/升華、冷凝/凝華而來)和硅酸鹽物質(zhì)，沒有水存在的跡象(Johnson et al.,1988;Mc Ewen et al.,1997,1998;Williams et al.,2000;Geissler et al.,2004;Keszthelyi et al.,2006)。雖然木衛(wèi)一表層幾乎被硫和硫化物覆蓋，但紅外測溫表明其地表新噴發(fā)熔巖的溫度整體較高(1200～1400K)，與玄武質(zhì)熔巖一致(Mc Ewen et al.,1997;Spencer et al.,2007)。因此，目前認(rèn)為木衛(wèi)一的地表火山噴發(fā)物乃至地殼整體上以鎂鐵質(zhì)硅酸鹽成分為主，而表層的淺色硫/硫化物火山沉積則是硅酸鹽巖漿火山活動的次級產(chǎn)物(Lunine and Stevenson,1985;Battaglia et al.,2014)。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]華北克拉通構(gòu)造演化[J]. 翟明國. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報. 2019(05)
[2]Stagnant lid tectonics:Perspectives from silicate planets,dwarf planets, large moons,and large asteroids[J]. Robert J.Stern,Taras Gerya,Paul J.Tackley. Geoscience Frontiers. 2018(01)
[3]華北克拉通太古宙TTG巖石的時空分布、組成特征及形成演化:綜述[J]. 萬渝生,董春艷,任鵬,白文倩,頡頏強,劉守偈,謝士穩(wěn),劉敦一. 巖石學(xué)報. 2017(05)
[4]前寒武紀(jì)地球動力學(xué)（Ⅳ）:前板塊體制[J]. 李三忠,戴黎明,張臻,郭玲莉,趙淑娟,趙國春,張國偉. 地學(xué)前緣. 2015(06)
[5]太古宙TTG巖石是什么含義?[J]. 張旗,翟明國. 巖石學(xué)報. 2012(11)
[6]北秦嶺西段冥古宙鋯石（4.1～3.9Ga）年代學(xué)新進展[J]. 第五春榮,孫勇,董增產(chǎn),王洪亮,陳丹玲,陳亮,張紅. 巖石學(xué)報. 2010(04)
本文編號：3600086
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