中国科学技术大学地球和空间科学学院的吴忠庆课题组揭示地球早期的基底岩浆洋演化会出现水诱导的地幔反转，太古宙大陆是基底岩浆洋演化的一个产物，其中水扮演了极其关键的角色（图1），研究工作以“Water-Induced Mantle Overturns Leading to the Origins of Archean Continents and Subcontinental Lithospheric Mantle”为题，发表在地球科学领域国际权威学术期刊Geophysical Research Letters上。该工作是大陆起源和早期地球如何运作方面的突破性进展。
跟生命和板块运动一样，大陆也是地球所特有的。最早的大陆如何形成因此是理解太阳系类地行星相关科学问题的关键一环。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，两个模型在解释大陆起源上都遇到困难。俯冲板块上方的岛弧是当今新的大陆形成的地方，板块俯冲也是目前已知的可以将地表水带到地球深部，并形成含水岩浆的过程，岛弧模型认为太古宙的大陆也是由于板块俯冲引起的。岛弧模型可以很好的回答太古宙陆壳源区富水这个特征。但该模型很难解释太古宙大陆的多个其他特征：太古宙绿岩主要由基性的拉斑玄武岩和超基性的科马提岩构成的双峰结构，很少有俯冲带常见的安山岩；科马提岩形成于高温的环境，几乎只在太古宙大陆广泛出现的科马提岩跟俯冲带低温环境不一致；太古宙英云闪长岩－奥长花岗岩－花岗闪长岩（TTG）是在很短的时间内出现于整个克拉通区域，年龄缺乏逐渐变化的特征；为了产生太古宙TTG的高轻/重稀土比特征和富集大离子亲石元素的特点，俯冲的榴辉岩的熔融程度必须要低于30%，这意味榴辉岩的体积要比暴露面积占据太古宙克拉通~65%的太古宙TTG的三倍还多，如何在极短时间内产生如此巨量的榴辉岩也是个问题；不同于俯冲引起的线性构造的造山带，太古宙克拉通主要是穹隆结构；太古宙岩石的经历等压变温的变质过程以及缺乏高压超高压篮片岩等也都跟俯冲带特征不符。
图1. 水诱导的地幔反转示意图。形成月球的大撞击足以熔融整个地幔，高压研究揭示岩浆洋在中地幔深度结晶，形成外面和基底两个岩浆洋。除非地幔及地表水完全来自于后期增生，否则岩浆洋应该含一定量的水。由于下地幔矿物含水能力低，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，基底岩浆洋的密度不再比上覆地幔高，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，形成早期独特的深部水循环，同时促进大陆和克拉通地幔岩石圈等的形成。
地幔柱的海底高原模型可以很好地解释上述特征，但该假说在回答太古宙陆壳源区富水这一关键特征上遇到了困难，因为根据现今的观察，海底高原底部是贫水的。另外，陆壳年龄分布特征也暗示太古宙末期出现了地幔反转，但反转的机制并不清楚。
吴忠庆等人提出在基底岩浆洋演化过程中会发生水诱导的地幔反转，该反转将大量基底岩浆洋中的水运移到地球浅部，促进大陆的形成（图1）。当地幔反转耗尽基底岩浆洋后，太古宙型的大陆不再产生，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有完全不同的特性。类似的，水诱导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，为什么主要在太古宙形成克拉通大陆，为什么内太阳系只有地球具有大陆等。形成基底岩浆洋和基底岩浆洋含水是水诱导地幔反转的两个前提，由于大撞击在基底岩浆洋形成中的关键角色，月球远比我们想象的重要。
该项研究受到国家自然科学基金项目以及中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。
论文：
Wu, Z., Song, J., Zhao, G., & Pan, Z. (2023). Water-induced mantle overturns leading to the origins of Archean continents and subcontinental lithospheric mantle. Geophysical Research Letters, 50, e2023GL105178. https://doi.org/10.1029/2023GL105178