近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授团队在大陆起源与地磁场演化方面取得重要进展。相关成果以“Water-Induced Mantle Overturn Explains High Archean Paleointensities”为题，发表在国际知名期刊《国家科学评论》(National Science Review)。国际著名古地磁学家John A. Tarduno教授在杂志的亮点栏目撰文介绍。

太古宙时期大陆地壳的涌现以及地磁场的增强是地球早期演化中的两个关键现象，其成因至今仍不明确。目前有两种主流模型用来解释太古宙大陆的起源，一种是俯冲主导的岛弧模型，另一种是地幔柱主导的洋底高原模型。后者可以更好地解释太古宙大陆所保留的地质与地球化学特征，但难以提供形成太古宙陆壳所必须的水。与此同时，古地磁研究表明，在太古宙大陆的快速生长期，地磁场强度达到了异常高的水平，而在大陆生长结束时，地磁场强度又降回低值。过去提出的早期地磁场的假说难以解释太古宙磁场这一变化，一是由高电导率的基底岩浆洋对流产生的磁场应该从45亿年开始逐渐衰减，并且地球自转会显著降低岩浆洋对流速度，基底岩浆洋发电机能否真正启动仍存在争议；二是地核顶部轻元素的析出可以通过热化学对流增强地磁发电机，但轻元素的析出时间和速率仍存在很大的不确定性。

2023年吴忠庆等人提出了大陆起源的水诱导地幔反转模型(Wu et al., 2023)，指出随着基底岩浆洋的冷却和结晶，不易进入固体的水逐渐在基底岩浆洋中富集，使其密度下降而引起重力失稳并。最终，这一富水岩浆洋在太古宙快速上涌，触发了地幔倒转事件(Wu et al., 2023)。炽热且富水的上涌岩浆不仅为太古宙大陆的形成提供了必要的水，还为多种看似独立的地质现象提供了统一的解释，包括大陆的起源和太古宙末期岩性的全球性变化(Wu, 2024; Wu and Zhao, 2022)。研究团队进一步将地幔倒转过程引入地球热演化和地磁发电机模型中，发现基底岩浆洋的上涌将热量从核幔边界迅速传输至地幔浅部，使得地幔倒转期间核幔边界的温度快速下降，从而提高了穿越核幔边界的热流。参数化的地磁发电机模型表明，由地幔倒转引起的核幔边界高热流显著增强了地磁场，依据大陆生长特性推测的地幔倒转过程可以很好的复现太古宙强磁场记录，指示太古宙大陆的形成和强磁场可以在地幔倒转模型下统一解释。

国际著名古地磁学家John A. Tarduno教授指出，理论模型与太古宙古地磁强度观测相互独立却取得了高度一致的结果，这是观测数据和理论模型均获得成功的重要标志(Tarduno, 2026)。这意味着地幔倒转事件不仅能够解释太古宙大陆集中出现和岩性转变等现象，还为该时期的强磁场提供了合理机制。水诱导的地幔倒转持续了数十亿年，并涉及整个地幔。地幔倒转在时间和空间尺度上都与板块构造具有可比性，但目前对地幔倒转过程仍知之甚少。作为地幔倒转的两个效应，太古宙大陆的形成以及古地磁场的演化将为认识地幔倒转过程提供关键支撑。

图(a)地幔倒转期间，大规模含水热柱上涌至地表，促进了太古宙大陆的形成；(b)考虑地幔倒转的地磁场演化模型与古地磁观测十分吻合。

中国科学技术大学地球和空间科学学院吴忠庆教授为该论文的通讯作者，博士生王冬为第一作者。该研究受到国家自然科学基金原创探索计划项目和国家杰出青年科学基金资助，部分计算在中国科学技术大学超级计算中心和合肥先进计算中心完成。

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf578

亮点栏目介绍文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag046

（地球和空间科学学院、科研部）