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中国科学技术大学地球和空间科学学院教授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。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。研究成果日前发表在地球科学领域国际权威学术期刊《地球物理研究快报》上。

水诱导的地幔反转示意图。中国科大供图

跟生命和板块运动一样，大陆也是地球所特有的。研究最早的大陆如何形成的，是理解太阳系类地行星相关科学问题的关键一环。

现有的解释大陆起源的主流模型有两个，分别是岛弧模型和地幔柱的洋底高原模型。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，如：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；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。地幔柱的洋底高原模型可以很好地解释上述特征，但该模型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，洋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。

此次工作中，吴忠庆等人提出在形成月球的大撞击后，整个地幔熔化形成了岩浆洋，岩浆洋在中地幔深度结晶，形成外面和基底两个岩浆洋。由于下地幔矿物含水能力低，随着岩浆的结晶，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，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，促进大陆和克拉通地幔岩石圈等的形成。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。

形成水诱导地幔反转的两个前提是基底岩浆洋的形成和基底岩浆洋含水，而产生了月球的大撞击是形成基底岩浆洋的关键角色，所以月球诞生的意义远比人们之前想象得重要。

审稿人高度评价此次工作，称“这个假说非常新颖且意义重大。”下一步，吴忠庆课题组将继续完善该假说，比如对地幔反转过程进行地球动力学模拟，进一步探索地幔反转促进大陆形成的具体过程。

相关论文信息：https://doi.org/10.1029/2023GL105178