早期地球的熱管構造:來自木衛一的啟示

作者：章清文,劉耘

摘要：構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、巖石質衛星和小行星等)的地表散熱、內部溫度和物質演化。現有的少量地質記錄表明,地球在板塊構造啟動之前就存在非常活躍的"前板塊構造"運動并可能對其早期殼幔分異產生了重要的影響,在這些構造體制下,物質和能量循環的規模和速率可能是后續的板塊運動無法比擬的。但受限于早期地質記錄的稀缺以及研究手段不成熟等因素,對前板塊構造運動的研究一直被學界所忽視,人們對其的認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,木星系統的木衛一存在大規模的火山活動,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造演化模式的一些固有認識,需要新的構造模式——"熱管構造"(heat-pipe tectonics)予以解釋,其涵義為:類似木衛一上的大規模火山作用可使類地天體的軟流圈-巖石圈-地表之間發生快速的物質和能量循環,該循環以巖漿的形成-上升-噴發-冷卻和沉降-折返為主要形式,可將天體內部的熱散快速散發到外太空。上述過程涉及類地天體內、外部之間物質的大規模、快速遷移和相變,其導熱原理與熱管相同,因而被稱為"熱管構造",其散熱效率遠高于現今大多數類地天體單純依賴巖石圈進行內外熱傳導的停滯蓋層構造,以及地球上以板塊的形成和俯沖過程主導內部散熱的板塊構造體制。盡管早期地球與木衛一在內生熱機制等方面存在顯著差異,但二者的內部溫度和內生熱率較高,導致其巖漿作用總體均較為活躍,這些關鍵動力學特征的相似性暗示其構造體制可能類似。因此,研究木衛一的熱管構造體制對揭示地球的前板塊構造的性質和演化有重要的啟示意義。本文綜述了近40年?

發文機構：中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室 中國科學院比較行星學卓越創新中心

關鍵詞：熱管效應熱管構造停滯蓋層構造前板塊構造早期地球早期地球動力學木衛一Heat-pipe effectHeat-pipe tectonicsStagnant-lid tectonicsPre-plate tectonicsEarly EarthEarly geodynamicsIo

分類號： P541[天文地球—構造地質學]P691[天文地球—地質學]