地球內(nèi)部冷卻速度或快于預(yù)期 助力研究地球動(dòng)力學(xué)演化

瑞士蘇黎世理工大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)室中展示了地核和地幔交界處常見的一種礦物——布氏巖是如何很好地傳導(dǎo)熱量的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地球內(nèi)部熱量的消散速度可能會(huì)比之前想象的更快。研究結(jié)果發(fā)表在近日的《地球與行星科學(xué)快報(bào)》上。

地球的進(jìn)化伴隨著冷卻：45億年前，年輕的地球表面普遍存在極端溫度，它被一片深厚的巖漿海洋所覆蓋。在數(shù)百萬年的時(shí)間里，地球表面冷卻形成了脆弱的地殼。然而，地球內(nèi)部散發(fā)出的巨大熱能引發(fā)了地幔對(duì)流、板塊構(gòu)造和火山活動(dòng)等動(dòng)態(tài)過程。

然而，地球冷卻的速度有多快，以及這種持續(xù)的冷卻可能需要多長(zhǎng)時(shí)間才能使上述的熱驅(qū)動(dòng)過程停止，這些問題一直沒有得到回答。一個(gè)可能的答案在于形成地核和地幔邊界的礦物的熱導(dǎo)率。

在地核和地幔交界處，地幔的粘性巖石與地球外核熾熱的鐵鎳熔體直接接觸。兩層之間的溫度梯度十分“陡峭”，因此這里可能有較大的熱傳導(dǎo)。邊界層主要由礦物布氏巖形成。然而，科學(xué)家很難估計(jì)這種礦物從地核到地幔傳導(dǎo)了多少熱量，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)驗(yàn)證非常困難。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種復(fù)雜的測(cè)量系統(tǒng)，能在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量布氏巖在地球內(nèi)部一般壓力和溫度條件下的熱導(dǎo)率。他們發(fā)現(xiàn)，布氏巖的導(dǎo)熱系數(shù)大約是假設(shè)的1.5倍。這表明從地核到地幔的熱傳導(dǎo)也比之前認(rèn)為的要高。更大的熱流反過來會(huì)增加地幔對(duì)流，加速地球的冷卻。這可能會(huì)導(dǎo)致由地幔對(duì)流運(yùn)動(dòng)保持的板塊構(gòu)造減速，速度比研究人員根據(jù)之前的熱傳導(dǎo)值預(yù)期的要快。

研究還表明，地幔的快速冷卻將改變地核和地幔邊界的穩(wěn)定礦物相。冷卻后，布氏巖變成后鈣鈦礦相的礦物。但研究人員估計(jì)，一旦后鈣鈦礦出現(xiàn)在核幔交界處并開始占據(jù)主導(dǎo)地位，地幔的冷卻速度確實(shí)可能會(huì)進(jìn)一步加快，因?yàn)檫@種礦物的導(dǎo)熱效率比布氏巖更高。

研究人員表示，這一結(jié)果可能會(huì)讓我們對(duì)地球動(dòng)力學(xué)的演化有一個(gè)新視角。它表明，地球和其他巖石行星如水星和火星一樣，正在冷卻和變得不活躍的速度比預(yù)期的要快得多。(張佳欣)