探索地球与火星的热演化历史与磁场运行机制

探索地球与火星的热演化历史与磁场运行机制

地球与火星的演化历史和磁场运行机制一直是地球科学领域的研究热点。通过现代地震学观测和地球化学研究，科学家们对地球内部的组成和分层结构有了初步了解。然而，地球是如何从初期的高温岩浆海逐步冷却凝固？液态地核的流动如何产生并维持磁场？固体内核又是何时形成的？这些问题至今仍是深部地球科学领域的重要课题。

为了进一步了解地球内部热化学与磁场演化的基本问题，研究者在实验室中利用高压科学技术，模拟地球内部的高温高压状态，通过光谱实验测量地球内部物质的物理化学特性。这些研究揭示了地球早期岩浆海的冷却过程、地核热传导特性以及火星磁场消失的原因。

地球早期岩浆海的冷却过程

研究发现，玄武岩质玻璃在地球早期的高温高压状态下表现出极低的热导率，这意味着地球早期岩浆海的冷却速度比之前预期的要慢。这种缓慢的冷却过程导致了岩浆海的生命周期延长，促进了地幔在缓慢冷却凝固过程中形成部分结晶。这一发现为未来数值模拟岩浆海演化提供了重要参考。

地球磁场的形成与维持

地球磁场的稳定运行是地球成为宜居星球的重要因素之一。目前普遍认为，地球磁场是由液态外核中的铁和其他轻元素通过"地发电机"机制产生的。近期研究发现，如果地核是由铁-硅合金组成，其在地核极端高温高压条件下的热导率比之前认为的更低。这种较低的热导率使得地核能够缓慢释放热量，驱动液态外核对流产生磁场，而无需化学能的辅助。这一发现还暗示，固体内核可能早在20亿年前就已经形成。

火星磁场的演化

与地球不同，火星的磁场演化历史截然不同。根据火星探测任务的数据，火星磁场在约43亿年前存在，但仅持续了约7亿年就停止了。研究发现，火星核可能由铁硫合金组成，这种物质具有较高的热导率，导致火星核能够快速散热。由于火星缺乏地球那样的固体内核和板块构造运动，当火星核的热对流能量耗尽时，整个火星核进入热分层状态，导致磁场终止。

图1：（a）极低的岩浆海热导率将使得地幔缓慢冷却，并开始形成对流。（b）最终将形成一个重力稳定地幔构造。（取自参考文献一）

图2：极低之地核热导系数意谓著内核之年龄可能超过20亿年。（取自参考文献二）

图3：火星核迅速散热造成运作磁场所需之能量殆尽，形成热分层而终止磁场。（取自参考文献三）

参考文献：

• Hsieh, W.-P., Chang, Y.-Y., Tsao, Y.-C., Lin, C.-H., & Vilella, K. (2024). Exceptionally low thermal conduction of basaltic glasses and implications for the thermo-chemical evolution of the Earth's primitive magma ocean. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2023JB027722.
• Hsieh, W.-P., Goncharov, A. F., Labrosse, S., Holtgrewe, N., Lobanov, S. S., Chuvashova, I., Deschamps, F., & Lin, J.-F. (2020). Low thermal conductivity of iron-silicon alloys at Earth's core conditions with implications for the geodynamo. Nature Communications, 11, 3332.
• Hsieh, W.-P., Deschamps, F., Tsao, Y.-C., Yoshino, T., & Lin, J.-F. (2024). A thermally conductive Martian core with implications for its dynamo cessation. Science Advances, 10, eadk1087.

本文原文来自台湾中央大学地球科学研究所