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古地磁研究表明，地磁場已經(jīng)持續(xù)運轉(zhuǎn)了至少35億年，其最早的起源時間甚至可以追溯至42億年前(Tarduno et al., 2015)。地磁場由地核“發(fā)電機”產(chǎn)生，通過地球外核中液態(tài)鐵的對流驅(qū)動。標準模型認為地磁發(fā)電機能量源由四部分組成：(1)地核冷卻;(2)內(nèi)外核邊界的輕元素釋放;(3)放射性元素衰變;(4)地球的進動。但是，第一性原理計算和隨后的高溫高壓實驗表明地核的熱導(dǎo)率比原來估算的高很多(Pozzo et al.，2012;Ohta et al.，2016)。地核具有高熱導(dǎo)率的后果是標準模型中的能量會通過熱傳導(dǎo)的形式耗散掉，從而沒有足夠的能量去驅(qū)動對流，導(dǎo)致地磁場的能量嚴重缺失。這一問題被稱為“新的地核悖論”(New Core Paradox;Olson, 2013)。
O'Rourke and Stevenson (2016) 提出從地核中析出的鎂可以作為標準模型之外的地核發(fā)電機能量源。鎂在過去一直被認為是親石元素，不會進入到地核中，但他們提出通過大撞擊能夠?qū)⒋罅康逆V在地球歷史早期擠入地核中。他們認為鎂在地核中的溶解度強烈依賴于溫度，溫度越高，溶解度越大。在這種情況下，鎂可以隨著大撞擊提供的高溫大量進入到初始地核中。之后，隨著地核的逐漸降溫，鎂逐漸析出，為地磁場提供能量。這一假說巧妙地將大撞擊、核幔分異、巖漿洋演化、地磁起源等地球早期重大事件結(jié)合了起來。該假說的核心關(guān)鍵是鎂的溶解度是否具有強溫度依賴性，以及鎂的析出是否能在35億年前開始為地磁場提供足夠的能量。針對這些關(guān)鍵問題，目前仍然有較大的爭議(如Badro et al., 2016;Du et al., 2017)。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室碩士生劉為一與導(dǎo)師張毅剛研究員等，通過第一性原理分子動力學(xué)的計算，獲得了大量鎂的配分系數(shù)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上研究地球早期的形成演化歷史。結(jié)果顯示鎂的配分系數(shù)強烈依賴于溫度(圖1)。根據(jù)獲得的鎂的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系式，結(jié)合根據(jù)古地磁強度數(shù)據(jù)建立的地核熱演化模型，他們發(fā)現(xiàn)鎂能夠在35億年前開始析出(圖2a)并為地磁場提供足夠的能量(圖2b)。他們進一步模擬了鎂析出產(chǎn)生的磁場隨時間的演化，發(fā)現(xiàn)其很好地符合了古地磁強度的長期變化趨勢。該項研究為地球早期地磁場強度變化提出了新的解釋機制，即磁場強度的突然增大然后逐步走低可能代表了鎂析出產(chǎn)生磁場的典型特征，隨后磁場的再次突然增強可能代表了內(nèi)核開始形成，地磁場獲得了新的能量源。據(jù)此，他們建立了早期地核演化圖景(圖3)。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Earth and Planetary Science Letters。研究受中科院先導(dǎo)專項B、國家自然科學(xué)基金資助。
圖1 鎂的平衡常數(shù)與溫度關(guān)系圖。平衡常數(shù)由MgOSil=MgMet+OMet確定，其中MgOSil代表硅酸鹽或氧化物中的MgO，MgMet和OMet分別代表液態(tài)鐵中的Mg和O。藍色圓環(huán)代表過去的高溫高壓實驗數(shù)據(jù)，紅色圓點是本次實驗得到的數(shù)據(jù)。黑線是回歸得到的鎂的平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系。高溫下，硅酸鹽中的MgO趨向生成Mg和O進入液態(tài)鐵中。
圖2 (a) 地核起始鎂含量與鎂析出時間關(guān)系。富氧地核的起始輕元素含量為5 wt% O以及2 wt% Si，其它起始地核輕元素含量由假設(shè)氧含量與硅含量具有固定比值2.7來決定。在固定起始地核成分情況下，鎂的含量越高鎂析出時間越早。三角代表在35億年前開始析出的情況。方塊代表在13億年前開始析出的情況。(b)地核起始鎂含量與鎂析出推動地核發(fā)電機所產(chǎn)生的歐姆耗散熵關(guān)系。為推動發(fā)電機，至少需要20MW/K的歐姆耗散熵，對應(yīng)圖中的藍色虛線。當起始硅含量大于8 wt%且起始鎂含量大于1.8 wt%時，鎂可以在35億年前開始析出，并為地磁場提供足夠的能量。大于8 wt%的地核起始硅含量可以由木星土星大回轉(zhuǎn)模型(Grand Tack)產(chǎn)生。大于1.8 wt%的地核起始鎂含量可以由一個火星大小的大撞擊擠入起始地核中。
圖3 地核早期演化模型。白色菱形為布里奇曼石，藍色方塊代表鐵方鎂石，紫色圓點代表地核析出物。黑色箭頭代表磁場。紅色箭頭代表地核的對流。藍色s型曲線代表地核的冷卻速率。(a)地球早期到42億年，巖漿洋結(jié)晶程度小于60%，巖漿洋快速冷卻，對應(yīng)為地核快速降溫區(qū)間。快速降溫釋放的熱能驅(qū)動對流產(chǎn)生磁場。(b)42到35億年，巖漿洋結(jié)晶程度大于60%，地核開始緩慢降溫，可能有較弱磁場。(c)35到13億年，以氧化鎂為主的硅酸鹽或氧化物析出開始，地磁場重新轉(zhuǎn)強。在之后歷史演化過程中，析出速率逐漸降低，地磁場強度逐漸下降。(d)最后在13億年，內(nèi)核開始形成，地核發(fā)電機獲得了新的能量源，地磁場強度再次變強。以上演化步驟與古地磁場強度演化能夠一一對應(yīng)。
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