水诱导的地幔反转与大陆起源

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2024.044

岛弧模型和地幔柱的海底高原模型是大陆起源的两个主流模型。相较于岛弧模型，地幔柱模型能更好地解释太古宙大陆的特征，但在解释太古宙陆壳源区富水这一关键特征时遇到了困难。最近提出的水诱导的地幔反转模型较好地解决了这个问题，同时还能解释太古宙多个令人困惑的现象。该模型指出，在地幔发生整体熔融的情况下，岩浆洋在中地幔深度开始结晶，形成外层和基底两个岩浆洋。由于下地幔矿物含水能力低，随着岩浆的结晶，最初含一定量水的基底岩浆洋将逐渐富水。水降低基底岩浆洋的密度。当水富集到一定程度时，基底岩浆洋的密度将不再高于上覆地幔，从而导致重力失稳，形成地幔反转。这种反转将水带到地球浅部，促进了大陆和克拉通岩石圈地幔等的形成。因此，太古宙大陆是基底岩浆洋演化的产物。当地幔反转耗尽基底岩浆洋后，太古宙型的大陆不再形成。太古宙末期对应着大陆形成机制的转变期，水诱导的地幔反转可以自然地解释为什么太古宙前后的大陆具有完全不同的特性。类似的，水诱导的地幔反转还可以解释其他多个长期困扰的现象，如：为什么几乎没有冥古宙的大陆，为什么太古宙的镁铁质岩石的源区具有原始地幔的组分且在整个太古宙几乎不变，为什么内太阳系只有地球具有大陆等。形成全地幔岩浆洋和岩浆洋含水是水诱导的地幔反转的2个前提。由于大撞击在全地幔岩浆洋形成中扮演了关键角色，月球远比我们想象的重要。

关键词: 太古宙, 基底岩浆洋, 水循环, 高温高压

The island arc and oceanic plateau models of a mantle plume are two popular models for the origin of the crust. In contrast to the island arc model, the oceanic plateau model can account for most of the features of the Archean crust but meets the fundamental challenge of explaining the water-rich features of the magma source for the Archean crust. The recent water-induced mantle overturn model accounts for not only water-rich features but also several puzzling phenomena in the Archean. The whole-mantle Magma Ocean (MO) separated into outer and basal MO because the crystallized mantle floated in the middle mantle. The water-induced mantle overturn model shows that with crystallization, basal MO became increasingly enriched in water because lower-mantle minerals can only contain a limited amount of water. Water reduced the density of basal MO. The basal MO eventually became less dense than the overlying solid mantle and became gravitationally unstable because of water enrichment. The triggered mantle overturned transport a large amount of water to the shallow part of the Earth and resulted in large pulses of crust and thick subcontinental lithospheric mantle (SCLM) generation. Therefore, the Archean crust was the result of the evolution of the basal MO. Once the mantle overturned from the basal MO, Archean-type crust no longer formed. Thus, the water-induced mantle overturn model can account for global change at the end of the Archean and other puzzling phenomena. For example, why were Tonalite-Trondhjemite-Granodiorite (TTG) and thick SCLM rare in the Hadean, why does the source of Archean basalts remain the primitive mantle from ca 4.0 to 2.5 Ga, and why does only Earth have continental crust?

Key words: Archean, Basal magma ocean, Water cycle, High pressure and high temperature

中图分类号:

P534.2

图1 锆石的年龄分布（绿色柱状图和红线）和地幔包裹体中硫化物的铼—锇模式年龄分布（绿线）（据参考文献［ 27 ］修改）

Fig. 1 The age distribution of all zircons （green histogram and red line） and the age distribution of Re-Os model ages for sulfides in mantle-derived xenoliths and xenocrysts （green line）（modified after reference［ 27 ］）

图2 水诱导的地幔反转的示意图（据参考文献［ 2 ］修改）
（a）水滴用来示意岩浆洋含水，实际硅酸盐溶体中的氢更多地以羟基的形式存在。形成月球的大撞击、地球吸积过程的重力能、放射性元素产热等应该能促成一个全地幔的岩浆洋。岩浆洋在中地幔深度结晶，形成外部和基底2个岩浆洋。（b）随着岩浆的结晶，基底岩浆洋将越来越富水，水降低了基底岩浆洋的密度，当水富集到一定程度后，基底岩浆洋会出现重力失稳而形成地幔反转，该反转将水带到地球浅部，促进大陆的形成

Fig. 2 Schematic illustration of the water-induced mantle overturns （modified after reference［ 2 ］）
（a） The waterdrop is used to describe hydrous silicate melts although hydrogen mainly exists as hydroxyls in silicate melts. The moon-forming impact， the gravitational energy by the accretion， and the radioactive energy may create a whole-mantle Magma Ocean （MO）. The solidification of the whole-mantle MO at the mid mantle forms an outer MO and a basal MO. （b） With the crystallization， the basal MO becomes increasingly enriched in water. Water significantly reduces density of the basal MO. The basal MO eventually becomes gravitationally unstable and generates mantle overturns because of the enrichment of water with solidification. The mantle overturns transport a large amount of water to shallow part of the Earth， which promotes generation of the continent

图3 MgSiO₃ 固相（布里奇曼石）和液相间的密度差

Fig. 3 The density difference between MgSiO₃ solid （bridgmanite） and liquid

图4 不同初始水含量下基底岩浆洋与地幔密度差的演化（据参考文献［ 2 ］修改）
水含量用质量比表示：（a）为0，（b）为2×10 ^-3，（c）为5×10 ^-3，（d）为10 ^-2。初始铁含量用原子数比表示：Fe/（Fe+Mg）=0.15，熔体和固体间的铁镁分布系数 K _Fe=0.2。黑线表示固液两相密度相等

Fig. 4 The evolution of melt-solid density contrast with various initial water content （modified after reference ［ 2 ］）
Various initial water contents：（a） 0，（b） 2×10 ^-3，（c） 5×10 ^-3，（d） 10 ^-2 in mass fraction. The initial Fe/（Fe+Mg） = 0.15 in atomic ratio， Fe-Mg distribution coefficient K _Fe= 0.2； The black lines mark the position where solid density and melt density are equal each other

图5 临界熔融分数和基底岩浆洋寿命（据参考文献［ 2 ］修改）
（a）~（c）临界熔融分数随水含量的变化；（d）基于Labrosse等 ^{［

40
］}的基底岩浆洋演化模型，熔融分数随时间指数衰减。临界熔融分数是指岩浆洋和地幔密度相等时对应的基底岩浆洋熔融分数； K _Fe为铁镁分布系数；初始铁含量 X _Fe用Fe/（Fe+Mg）原子数比表示实线对应平衡结晶的结果，点划线对应分离结晶的结果

Fig. 5 The critical melt fraction and lifetime of the basal Magma Ocean （MO）（modified after reference ［ 2 ］）
（a） ~ （c） The critical melt fraction as a function of initial water content；（d） The melt fraction exponentially decays with time according to the basal MO evolution model of Labrosse et al ^{［

40
］}. K _Fe is Fe-Mg distribution coefficient； The critical melt fraction is the fraction at which the basal MO becomes buoyant. X _Fe=Fe/（Mg+Fe） in atom ratio is the initial iron content； The solid and dashed lines correspond to the equilibrium crystallization end-member and fractional crystallization end-member， respectively

图6 基底岩浆洋密度和水含量（据参考文献［ 2 ］修改）
（a）平衡结晶下岩浆洋和固体地幔密度差随熔融分数（即岩浆洋结晶程度）变化；（b）密度差最大值对应的年龄（橙色）和水含量（蓝色）；密度差是在135 GPa和4 000 K的条件下计算，其中初始铁含量 X _Fe=0.15，铁镁分布系数 K _Fe=0.2。年龄估计假定密度差为0的时刻是29亿年前且基底岩浆洋指数衰减 ^{［

40
］}

Fig. 6 the density and water content of the basal Magma Ocean （MO）（modified after reference ［ 2 ］）
（a）The evolution of melt-solid density contrast for the equilibrium crystallization of basal MO；（b）The age （orange） and water content in melts （blue） when Δ ρ/ ρ reaches maximum as a function of initial water content for equilibrium crystallization. The density difference is calculated under 135 GPa and 4 000 K with X _Fe=0.15 and Fe-Mg distribution coefficient K _Fe=0.2. The age is determined by assuming that Δ ρ/ ρ becomes zero at 2.9 Ga and the melt fraction exponentially decays with time ^{［

40
］}

图7 镁铁质源岩（点划线）和其部分熔融成分的多元素图（黄线）^{［

5
］}
数据点用当今洋中脊玄武岩（Mo-MORB）进行了归一化； F是熔融分数；绿线是现洋中脊玄武岩（Mo-MORB）；蓝线是太古宙镁铁质岩石；红线是TTG

Fig. 7 The multi-element diagrams of mafic source （dashed lines） and its partial melting composition （yellow lines）^{［

5
］}
The data are normalized with average modern Mid-ocean ridge basalt （Mo-MORB）； F is melting fraction； Mo-MORB diagrams are shown in green lines； Archean mafic diagrams are shown in blue lines； TTG diagrams are shown in red lines

图8 克拉通岩石的时空分布^{［

117
］}
TTG：英云闪长岩—奥长花岗岩—花岗闪长岩；显示了主要的长英质岩石以及镁铁质和超镁铁质岩石岩浆活动时间、克拉通造山循环后期变形事件的时间、镁铁质基性岩墙的就位时间以及主要的后期沉积盆地沉积时间

Fig. 8 Time-space plot of rocks for the cratons^{［

117
］}
TTG： Tonalite-Trondhjemite-Granodiorite； Showing the time of major felsic and mafic/ultramafic igneous activity， deformational events that are late stage in the orogenic cycle of the craton， mafic dyke emplacement and major late sedimentary basin deposition

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Water Induced Mantle Overturn and Origin of the Archean Crust