早期地球的热管构造:来自木卫一的启示
发布时间：2022-01-21 10:23
构造体制极大地制约着地球和其他太阳系类地天体（类地行星、岩石质卫星和小行星等）的地表散热、内部温度和物质演化。现有的少量地质记录表明,地球在板块构造启动之前就存在非常活跃的"前板块构造"运动并可能对其早期壳幔分异产生了重要的影响,在这些构造体制下,物质和能量循环的规模和速率可能是后续的板块运动无法比拟的。但受限于早期地质记录的稀缺以及研究手段不成熟等因素,对前板块构造运动的研究一直被学界所忽视,人们对其的认识主要局限于停滞盖层（stagnant-lid tectonics）等。长期以来的空间探测和地基观测表明,木星系统的木卫一存在大规模的火山活动,随之形成了极高的地表热流和地表更新速率以及活跃的造山作用。这些观测事实不同寻常,颠覆了人们对类地天体构造演化模式的一些固有认识,需要新的构造模式——"热管构造"（heat-pipe tectonics）予以解释,其涵义为:类似木卫一上的大规模火山作用可使类地天体的软流圈-岩石圈-地表之间发生快速的物质和能量循环,该循环以岩浆的形成-上升-喷发-冷却和沉降-折返为主要形式,可将天体内部的热散快速散发到外太空。上述过程涉及类地天体内、外部之间物质...
【文章来源】：岩石学报. 2020,36(12)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
木卫一的内部结构和岩石圈垂向物质循环示意图(据Davies,2007b;Anderson et al.,2001;Moore et al.,2007绘制)
对类地天体演化的突破性认识来自太阳系太空探索和相关比较行星学研究成果的启示。自20世纪50年代美国和前苏联两国间展开太空竞赛以来，人类不遗余力地开展太空探测，包括美国对木星体系开展的多次探测。其中，“旅行者号”和“伽利略号”探测项目大获成功，先后证实并长期观测了木卫一的火山活动，它们与后续的“卡西尼号”、“新视野号”和“朱诺号”等探测器一起获取了大量极具科学价值的数据，相关研究成果刷新了人类对太阳系类地天体演化的众多固有认识(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)。木卫一(Io)是木星的第三大卫星和太阳系内第四大卫星(图1)。探测资料表明其表面存在十分活跃的火山活动，甚至存在超基性岩浆活动的迹象(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)，其地幔因强烈的潮汐加热而发生了大规模熔融并可能形成了全球性的浅部“岩浆洋”(Khurana et al.,2011)。从太阳系内各类地天体各自现有的地质记录来看，木卫一与冥古宙-太古宙时期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等类地天体存在一定相似性(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仅限于25亿年以前，是其内部高地温环境的特有产物(Ernst,2009;Gill,2010;Herzberg et al.,2010;张旗和翟明国，2012)，表明早期地球在地温环境方面可能与现今木卫一相似(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)。此外，一般认为类地天体只有在与其他星子、星胚间发生的剧烈撞击以及内部发生核幔分异和放射性元素衰变生热等剧烈的内、外地质作用条件下才会发生大规模熔融并形成岩浆洋(Stevenson,2008;Elkins-Tanton,2012)，尽管该过程仅限于吸积阶段，却控制了类地天体内部圈层结构的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地质记录的缺失使相关研究难以有效推进。木卫一为人们展示了在强烈内生热作用下，其地幔可发生大规模熔融并导致极其活跃的火山作用和由此引发的剧烈构造运动。由于木卫一内部的动力学状态应与冥古宙-太古宙地球类似，是探究早期地球乃至所有太阳系类地天体的早期动力学异常难得的样本。来自木卫一的众多观察事实如按停滞盖层、板块构造等现有的“常规”构造体制来解释往往自相矛盾、难以共存(Johnson et al.,1979;Mc Ewen et al.,1997;Carr et al.,1998;Schenk et al.,2001;Keszthelyi et al.,2004)。大规模火山的存在和地表高热流特征反映了木卫一处于一种新构造体制———热管构造(heat-pipe tectonics)下(O"Reilly and Davies,1981;Turcotte,1989;Moore and Webb,2013;Kankanamge and Moore,2016)。这一构造体制很好地解释了木卫一较高的地表热流、活跃的造山作用的成因。本文总结了40多年以来人类对木卫一的火山作用、构造体制和动力学演化的主要发现和认识，探讨了木卫一热管构造的性质、发生条件，讨论了地球和其他类地天体早期产生热管构造的可能性。
结果表明，木卫一表面存在400多个火山成因的热异常点(包括160多座活火山)且几乎没有陨石坑(图1、图2)，反映其火山活动广泛而剧烈，喷发物正快速覆盖并更新地表(Johnson et al.,1979;Blaney et al.,1995;Williams et al.,2011)。大规模的火山喷发可大致分三类(Williams and Howell,2007):(1)火山口内型(intra-paterae type):这类火山作用表现为岩浆在众多大型火山口(平均直径42km、深1～2km)内聚集和喷发(图1b、图2c,f,g,j)(Radebaugh et al.,2001;Howell et al.,2014;Ahern et al.,2017)，是木卫一主要的火山喷发形式和对外散热途径(Radebaugh et al.,2001;Lopes and Spencer,2007;Veeder et al.,2012);(2)溢流型(flowdonimated type):以相对贫挥发分的熔岩持续(每次持续数年)而稳定溢出并大范围覆盖地表为特征，典型的火山为Prometheus火山(图2d,e,h)和Amirani火山(图2i)，其熔岩流覆盖面积可超过6700km2，流动距离可超达300km;(3)爆发型(explosion-dominated type):以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山为代表(图2d,e)，其喷发时岩浆从火山口或裂隙中快速、短暂(仅持续数天至数周)而猛烈地喷发，因受木卫一重力场较弱、大气层极其稀薄等因素影响，这类喷发往往形成高达500km，喷射速度达0.4～1km/s，由S、SO2气体和尘埃组成的大型流束和巨型晕状沉积物(图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)，可快速改变木卫一表面形态(图2d-g)(Geissler et al.,1999;Keszthelyi et al.,2001;Kargel et al.,2003;Geissler et al.,2004)，是太阳系已知最为壮观的火山活动。长期监测表明木卫一的火山喷发活动是动态变化的。例如，Tvashtar火山口在不同时期内可由火山口内型、溢流型或爆发型喷发主导(Spencer et al.,2007)，而Prometheus熔岩流的火山口在其周围沉积了前期爆发式喷发形成的晕状喷发物沉积(图2i)。在火山喷发物成分方面，首先发现木卫一表面不同寻常地覆盖有鲜艳的黄、白、红-棕和黑-灰色物质(图1、图2)，它们分别覆盖了39%、26%、31%和1%的表面积(Geissler et al.,1999)。根据对光谱数据的解译，这些物质是硫(S8)、SO2霜、亚稳态硫(S2、S3和S4，由S8蒸发/升华、冷凝/凝华而来)和硅酸盐物质，没有水存在的迹象(Johnson et al.,1988;Mc Ewen et al.,1997,1998;Williams et al.,2000;Geissler et al.,2004;Keszthelyi et al.,2006)。虽然木卫一表层几乎被硫和硫化物覆盖，但红外测温表明其地表新喷发熔岩的温度整体较高(1200～1400K)，与玄武质熔岩一致(Mc Ewen et al.,1997;Spencer et al.,2007)。因此，目前认为木卫一的地表火山喷发物乃至地壳整体上以镁铁质硅酸盐成分为主，而表层的浅色硫/硫化物火山沉积则是硅酸盐岩浆火山活动的次级产物(Lunine and Stevenson,1985;Battaglia et al.,2014)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]华北克拉通构造演化[J]. 翟明国. 地质力学学报. 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]华北克拉通太古宙TTG岩石的时空分布、组成特征及形成演化:综述[J]. 万渝生,董春艳,任鹏,白文倩,颉颃强,刘守偈,谢士稳,刘敦一. 岩石学报. 2017(05)
[4]前寒武纪地球动力学（Ⅳ）:前板块体制[J]. 李三忠,戴黎明,张臻,郭玲莉,赵淑娟,赵国春,张国伟. 地学前缘. 2015(06)
[5]太古宙TTG岩石是什么含义?[J]. 张旗,翟明国. 岩石学报. 2012(11)
[6]北秦岭西段冥古宙锆石（4.1～3.9Ga）年代学新进展[J]. 第五春荣,孙勇,董增产,王洪亮,陈丹玲,陈亮,张红. 岩石学报. 2010(04)
本文编号：3600086
【文章来源】：岩石学报. 2020,36(12)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：18 页
【部分图文】：
木卫一的内部结构和岩石圈垂向物质循环示意图(据Davies,2007b;Anderson et al.,2001;Moore et al.,2007绘制)
对类地天体演化的突破性认识来自太阳系太空探索和相关比较行星学研究成果的启示。自20世纪50年代美国和前苏联两国间展开太空竞赛以来，人类不遗余力地开展太空探测，包括美国对木星体系开展的多次探测。其中，“旅行者号”和“伽利略号”探测项目大获成功，先后证实并长期观测了木卫一的火山活动，它们与后续的“卡西尼号”、“新视野号”和“朱诺号”等探测器一起获取了大量极具科学价值的数据，相关研究成果刷新了人类对太阳系类地天体演化的众多固有认识(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)。木卫一(Io)是木星的第三大卫星和太阳系内第四大卫星(图1)。探测资料表明其表面存在十分活跃的火山活动，甚至存在超基性岩浆活动的迹象(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)，其地幔因强烈的潮汐加热而发生了大规模熔融并可能形成了全球性的浅部“岩浆洋”(Khurana et al.,2011)。从太阳系内各类地天体各自现有的地质记录来看，木卫一与冥古宙-太古宙时期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等类地天体存在一定相似性(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仅限于25亿年以前，是其内部高地温环境的特有产物(Ernst,2009;Gill,2010;Herzberg et al.,2010;张旗和翟明国，2012)，表明早期地球在地温环境方面可能与现今木卫一相似(Mc Ewen et al.,1998;Williams et al.,2000)。此外，一般认为类地天体只有在与其他星子、星胚间发生的剧烈撞击以及内部发生核幔分异和放射性元素衰变生热等剧烈的内、外地质作用条件下才会发生大规模熔融并形成岩浆洋(Stevenson,2008;Elkins-Tanton,2012)，尽管该过程仅限于吸积阶段，却控制了类地天体内部圈层结构的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地质记录的缺失使相关研究难以有效推进。木卫一为人们展示了在强烈内生热作用下，其地幔可发生大规模熔融并导致极其活跃的火山作用和由此引发的剧烈构造运动。由于木卫一内部的动力学状态应与冥古宙-太古宙地球类似，是探究早期地球乃至所有太阳系类地天体的早期动力学异常难得的样本。来自木卫一的众多观察事实如按停滞盖层、板块构造等现有的“常规”构造体制来解释往往自相矛盾、难以共存(Johnson et al.,1979;Mc Ewen et al.,1997;Carr et al.,1998;Schenk et al.,2001;Keszthelyi et al.,2004)。大规模火山的存在和地表高热流特征反映了木卫一处于一种新构造体制———热管构造(heat-pipe tectonics)下(O"Reilly and Davies,1981;Turcotte,1989;Moore and Webb,2013;Kankanamge and Moore,2016)。这一构造体制很好地解释了木卫一较高的地表热流、活跃的造山作用的成因。本文总结了40多年以来人类对木卫一的火山作用、构造体制和动力学演化的主要发现和认识，探讨了木卫一热管构造的性质、发生条件，讨论了地球和其他类地天体早期产生热管构造的可能性。
结果表明，木卫一表面存在400多个火山成因的热异常点(包括160多座活火山)且几乎没有陨石坑(图1、图2)，反映其火山活动广泛而剧烈，喷发物正快速覆盖并更新地表(Johnson et al.,1979;Blaney et al.,1995;Williams et al.,2011)。大规模的火山喷发可大致分三类(Williams and Howell,2007):(1)火山口内型(intra-paterae type):这类火山作用表现为岩浆在众多大型火山口(平均直径42km、深1～2km)内聚集和喷发(图1b、图2c,f,g,j)(Radebaugh et al.,2001;Howell et al.,2014;Ahern et al.,2017)，是木卫一主要的火山喷发形式和对外散热途径(Radebaugh et al.,2001;Lopes and Spencer,2007;Veeder et al.,2012);(2)溢流型(flowdonimated type):以相对贫挥发分的熔岩持续(每次持续数年)而稳定溢出并大范围覆盖地表为特征，典型的火山为Prometheus火山(图2d,e,h)和Amirani火山(图2i)，其熔岩流覆盖面积可超过6700km2，流动距离可超达300km;(3)爆发型(explosion-dominated type):以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山为代表(图2d,e)，其喷发时岩浆从火山口或裂隙中快速、短暂(仅持续数天至数周)而猛烈地喷发，因受木卫一重力场较弱、大气层极其稀薄等因素影响，这类喷发往往形成高达500km，喷射速度达0.4～1km/s，由S、SO2气体和尘埃组成的大型流束和巨型晕状沉积物(图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)，可快速改变木卫一表面形态(图2d-g)(Geissler et al.,1999;Keszthelyi et al.,2001;Kargel et al.,2003;Geissler et al.,2004)，是太阳系已知最为壮观的火山活动。长期监测表明木卫一的火山喷发活动是动态变化的。例如，Tvashtar火山口在不同时期内可由火山口内型、溢流型或爆发型喷发主导(Spencer et al.,2007)，而Prometheus熔岩流的火山口在其周围沉积了前期爆发式喷发形成的晕状喷发物沉积(图2i)。在火山喷发物成分方面，首先发现木卫一表面不同寻常地覆盖有鲜艳的黄、白、红-棕和黑-灰色物质(图1、图2)，它们分别覆盖了39%、26%、31%和1%的表面积(Geissler et al.,1999)。根据对光谱数据的解译，这些物质是硫(S8)、SO2霜、亚稳态硫(S2、S3和S4，由S8蒸发/升华、冷凝/凝华而来)和硅酸盐物质，没有水存在的迹象(Johnson et al.,1988;Mc Ewen et al.,1997,1998;Williams et al.,2000;Geissler et al.,2004;Keszthelyi et al.,2006)。虽然木卫一表层几乎被硫和硫化物覆盖，但红外测温表明其地表新喷发熔岩的温度整体较高(1200～1400K)，与玄武质熔岩一致(Mc Ewen et al.,1997;Spencer et al.,2007)。因此，目前认为木卫一的地表火山喷发物乃至地壳整体上以镁铁质硅酸盐成分为主，而表层的浅色硫/硫化物火山沉积则是硅酸盐岩浆火山活动的次级产物(Lunine and Stevenson,1985;Battaglia et al.,2014)。
【参考文献】：
期刊论文
[1]华北克拉通构造演化[J]. 翟明国. 地质力学学报. 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]华北克拉通太古宙TTG岩石的时空分布、组成特征及形成演化:综述[J]. 万渝生,董春艳,任鹏,白文倩,颉颃强,刘守偈,谢士稳,刘敦一. 岩石学报. 2017(05)
[4]前寒武纪地球动力学（Ⅳ）:前板块体制[J]. 李三忠,戴黎明,张臻,郭玲莉,赵淑娟,赵国春,张国伟. 地学前缘. 2015(06)
[5]太古宙TTG岩石是什么含义?[J]. 张旗,翟明国. 岩石学报. 2012(11)
[6]北秦岭西段冥古宙锆石（4.1～3.9Ga）年代学新进展[J]. 第五春荣,孙勇,董增产,王洪亮,陈丹玲,陈亮,张红. 岩石学报. 2010(04)
本文编号：3600086
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