早期地球的熱管構(gòu)造：來自木衛(wèi)一的啟示*

章清文 劉耘,2

1. 中國科學院地球化學研究所, 礦床地球化學國家重點實驗室，貴陽 5500812. 中國科學院比較行星學卓越創(chuàng)新中心，合肥 2300261.

地球及類地天體(包括類地行星、巖石質(zhì)衛(wèi)星和小行星等)的構(gòu)造體制涉及其巖石圈的性質(zhì)和運動方式，決定了它們向外散熱的方式和快慢。在地球和類地天體演化早期，劇烈的內(nèi)、外地質(zhì)作用(如吸積、核幔分異、放射性元素衰變等)使其內(nèi)部快速積累熱量并維持較高的溫度，相應的生熱量易于估算(如根據(jù)衰變定律推算衰變熱)，但對其當時的構(gòu)造體制及其散熱方式和效率知之甚少。因此，類地天體演化的一個關(guān)鍵科學問題在于其早期的構(gòu)造體制及其演變規(guī)律是什么。長期以來，人們對此的認識主要限于停滯蓋層(如水星、金星、火星和月球等) (Baratouxetal., 2011; Sternetal., 2018; O’Neill and Zhang, 2019)和地球的板塊構(gòu)造兩類主要的構(gòu)造體制。在停滯蓋層體制下，類地天體的巖石圈是一個獨立于地幔對流的剛性整體，內(nèi)部熱量依賴巖石圈的熱傳導向外傳遞。板塊構(gòu)造體制下的地球則以分裂為板塊的巖石圈參與地幔對流(主要通過板塊的形成、俯沖過程)引發(fā)的熱對流和熱傳導進行散熱(據(jù)估計約占當前地球總散熱量的2/3) (Davies, 2011; Korenaga, 2013)。不過，二者不能簡單套用于所有類地天體的所有演化階段：根據(jù)現(xiàn)有停滯蓋層理論模型，當類地天體處于內(nèi)部溫度較高的演化早期，由于地幔物質(zhì)的黏度具有較強的溫度依賴性，高溫會導致地幔對流較快，使其形成厚度較小、地溫梯度較高的巖石圈并造成整體性的快速降溫(Korenaga, 2016)，這與地球巖石學記錄反映的地幔溫度演化趨勢不符(Davies, 1980; Herzbergetal., 2010; Korenaga, 2013)。此外，早期地球和其他類地天體較高的內(nèi)部溫度也不利于形成能夠大規(guī)模持續(xù)俯沖的大洋巖石圈，從而缺乏產(chǎn)生板塊構(gòu)造的條件(van Hunen and Van Den Berg, 2008; van Hunen and Moyen, 2012; Johnsonetal., 2014; 李三忠等, 2015)。因此，需要重新認識類地天體的早期構(gòu)造體制。

圖1 木衛(wèi)一的地表影像圖 (a) 真彩影像圖，由“伽利略號”拍攝；(b)南極附近地表的影像圖，由“旅行者一號”拍攝，地貌描述據(jù) Davies (2007c). 圖像來源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (編號PIA00328和PIA00327)Fig.1 Images of Io’s surface (a) a true-colour image taken by the Galileo spacecraft; (b) a image of the region near Io’s South Pole photographed by the Voyager 1 spacecraft, with descriptions after Davies (2007c). Source of the images: https://photojournal.jpl.nasa.gov (No. PIA00328 and PIA00327)

對類地天體演化的突破性認識來自太陽系太空探索和相關(guān)比較行星學研究成果的啟示。自20世紀50年代美國和前蘇聯(lián)兩國間展開太空競賽以來，人類不遺余力地開展太空探測，包括美國對木星體系開展的多次探測。其中，“旅行者號”和“伽利略號”探測項目大獲成功，先后證實并長期觀測了木衛(wèi)一的火山活動，它們與后續(xù)的 “卡西尼號”、“新視野號”和“朱諾號”等探測器一起獲取了大量極具科學價值的數(shù)據(jù)，相關(guān)研究成果刷新了人類對太陽系類地天體演化的眾多固有認識(Morabitoetal., 1979; Johnsonetal., 1988; Veederetal., 1994; Spenceretal., 2000b; Kargeletal., 2003; Bland and McKinnon, 2016)。木衛(wèi)一(Io)是木星的第三大衛(wèi)星和太陽系內(nèi)第四大衛(wèi)星(圖1)。探測資料表明其表面存在十分活躍的火山活動，甚至存在超基性巖漿活動的跡象(McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000)，其地幔因強烈的潮汐加熱而發(fā)生了大規(guī)模熔融并可能形成了全球性的淺部“巖漿洋”(Khuranaetal., 2011)。從太陽系內(nèi)各類地天體各自現(xiàn)有的地質(zhì)記錄來看，木衛(wèi)一與冥古宙-太古宙時期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等類地天體存在一定相似性(Huppertetal., 1984; McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000; Moresi, 2013)。地球上的超基性火山作用僅限于25億年以前，是其內(nèi)部高地溫環(huán)境的特有產(chǎn)物(Ernst, 2009; Gill, 2010; Herzbergetal., 2010; 張旗和翟明國, 2012)，表明早期地球在地溫環(huán)境方面可能與現(xiàn)今木衛(wèi)一相似(McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000)。此外，一般認為類地天體只有在與其他星子、星胚間發(fā)生的劇烈撞擊以及內(nèi)部發(fā)生核幔分異和放射性元素衰變生熱等劇烈的內(nèi)、外地質(zhì)作用條件下才會發(fā)生大規(guī)模熔融并形成巖漿洋(Stevenson, 2008; Elkins-Tanton, 2012)，盡管該過程僅限于吸積階段，卻控制了類地天體內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地質(zhì)記錄的缺失使相關(guān)研究難以有效推進。木衛(wèi)一為人們展示了在強烈內(nèi)生熱作用下，其地幔可發(fā)生大規(guī)模熔融并導致極其活躍的火山作用和由此引發(fā)的劇烈構(gòu)造運動。由于木衛(wèi)一內(nèi)部的動力學狀態(tài)應與冥古宙-太古宙地球類似，是探究早期地球乃至所有太陽系類地天體的早期動力學異常難得的樣本。

來自木衛(wèi)一的眾多觀察事實如按停滯蓋層、板塊構(gòu)造等現(xiàn)有的“常規(guī)”構(gòu)造體制來解釋往往自相矛盾、難以共存(Johnsonetal., 1979; McEwenetal., 1997; Carretal., 1998; Schenketal., 2001; Keszthelyietal., 2004)。大規(guī)?；鹕降拇嬖诤偷乇砀邿崃魈卣鞣从沉四拘l(wèi)一處于一種新構(gòu)造體制——熱管構(gòu)造(heat-pipe tectonics)下(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016)。這一構(gòu)造體制很好地解釋了木衛(wèi)一較高的地表熱流、活躍的造山作用的成因。本文總結(jié)了40多年以來人類對木衛(wèi)一的火山作用、構(gòu)造體制和動力學演化的主要發(fā)現(xiàn)和認識，探討了木衛(wèi)一熱管構(gòu)造的性質(zhì)、發(fā)生條件，討論了地球和其他類地天體早期產(chǎn)生熱管構(gòu)造的可能性。

1 木衛(wèi)一的主要觀測結(jié)果

1.1 火山作用

木衛(wèi)一和地球是太陽系內(nèi)僅有的兩個迄今存在火山活動的類地天體(土衛(wèi)二、木衛(wèi)二、海衛(wèi)一等的冰火山除外)，前者的火山噴發(fā)規(guī)模為太陽系之最。木衛(wèi)一火山活動的最早跡象來自地基望遠鏡的光譜和輻射測量結(jié)果的異常(Morrison and Cruikshank, 1973; Wittebornetal., 1979)。隨后，“旅行者一號”和“旅行者二號”探測器于1979年首次近距離拍攝到了木衛(wèi)一表面火山噴發(fā)形成的巨型流束，證實其火山活動存在且規(guī)模巨大(Morabitoetal., 1979; Strometal., 1979)。由于木衛(wèi)一的獨特性，后續(xù)對其開展了長期的觀測和研究，手段包括空間探測(Strometal., 1979; McEwen and Soderblom, 1983; Carretal., 1998; Spenceretal., 2000b; Keszthelyietal., 2001; Geissleretal., 2004; Spenceretal., 2007)和天基/地基望遠鏡觀測(Veederetal., 1994; Marchisetal., 2005; de Pateretal., 2014a; de Kleer and De Pater, 2016)。

結(jié)果表明，木衛(wèi)一表面存在400多個火山成因的熱異常點(包括160多座活火山)且?guī)缀鯖]有隕石坑(圖1、圖2)，反映其火山活動廣泛而劇烈，噴發(fā)物正快速覆蓋并更新地表(Johnsonetal., 1979; Blaneyetal., 1995; Williamsetal., 2011)。大規(guī)模的火山噴發(fā)可大致分三類(Williams and Howell, 2007)：(1)火山口內(nèi)型(intra-paterae type)：這類火山作用表現(xiàn)為巖漿在眾多大型火山口(平均直徑42km、深1～2km)內(nèi)聚集和噴發(fā)(圖1b、圖2c, f, g, j)(Radebaughetal., 2001; Howelletal., 2014; Ahernetal., 2017), 是木衛(wèi)一主要的火山噴發(fā)形式和對外散熱途徑(Radebaughetal., 2001; Lopes and Spencer, 2007; Veederetal., 2012)；(2)溢流型(flow-donimated type)：以相對貧揮發(fā)分的熔巖持續(xù)(每次持續(xù)數(shù)年)而穩(wěn)定溢出并大范圍覆蓋地表為特征，典型的火山為Prometheus火山(圖2d, e, h)和Amirani火山(圖2i)，其熔巖流覆蓋面積可超過6700km2，流動距離可超達300km；(3)爆發(fā)型(explosion-dominated type)：以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山為代表(圖2d, e)，其噴發(fā)時巖漿從火山口或裂隙中快速、短暫(僅持續(xù)數(shù)天至數(shù)周)而猛烈地噴發(fā)，因受木衛(wèi)一重力場較弱、大氣層極其稀薄等因素影響，這類噴發(fā)往往形成高達500km，噴射速度達0.4～1km/s，由S、SO2氣體和塵埃組成的大型流束和巨型暈狀沉積物(圖2b, g)(Strometal., 1981; McEwen and Soderblom, 1983; Spenceretal., 2000b; Kargeletal., 2003; Jessupetal., 2007; Spenceretal., 2007; de Pateretal., 2014b; de Kleer and De Pater, 2016)，可快速改變木衛(wèi)一表面形態(tài)(圖2d-g) (Geissleretal., 1999; Keszthelyietal., 2001; Kargeletal., 2003; Geissleretal., 2004)，是太陽系已知最為壯觀的火山活動。長期監(jiān)測表明木衛(wèi)一的火山噴發(fā)活動是動態(tài)變化的。例如，Tvashtar火山口在不同時期內(nèi)可由火山口內(nèi)型、溢流型或爆發(fā)型噴發(fā)主導(Spenceretal., 2007)，而Prometheus熔巖流的火山口在其周圍沉積了前期爆發(fā)式噴發(fā)形成的暈狀噴發(fā)物沉積(圖2i)。

圖2 木衛(wèi)一活躍火山作用的觀測結(jié)果

在火山噴發(fā)物成分方面，首先發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)一表面不同尋常地覆蓋有鮮艷的黃、白、紅-棕和黑-灰色物質(zhì)(圖1、圖2)，它們分別覆蓋了39%、26%、31%和1%的表面積(Geissleretal., 1999)。根據(jù)對光譜數(shù)據(jù)的解譯，這些物質(zhì)是硫(S8)、SO2霜、亞穩(wěn)態(tài)硫(S2、S3和S4，由S8蒸發(fā)/升華、冷凝/凝華而來)和硅酸鹽物質(zhì)，沒有水存在的跡象(Johnsonetal., 1988; McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; Geissleretal., 2004; Keszthelyietal., 2006)。雖然木衛(wèi)一表層幾乎被硫和硫化物覆蓋，但紅外測溫表明其地表新噴發(fā)熔巖的溫度整體較高(1200～1400K)，與玄武質(zhì)熔巖一致(McEwenetal., 1997; Spenceretal., 2007)。因此，目前認為木衛(wèi)一的地表火山噴發(fā)物乃至地殼整體上以鎂鐵質(zhì)硅酸鹽成分為主，而表層的淺色硫/硫化物火山沉積則是硅酸鹽巖漿火山活動的次級產(chǎn)物(Lunine and Stevenson, 1985; Battagliaetal., 2014)。

值得注意的是，“伽利略號”探測器于1997年觀測到了木衛(wèi)一Pillan火山的大規(guī)模噴發(fā)(圖2d, e)，紅外測溫結(jié)果表明熔巖溫度高達1870K (～1600℃)，且具有富鎂斜方輝石的光譜特征(Geissleretal., 1999)，推測噴發(fā)物可能為科馬提質(zhì)(McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; Daviesetal., 2001)。不過，目前無法進一步證實木衛(wèi)一普遍存在超鎂鐵質(zhì)巖漿 (Keszthelyietal., 2007)。

1.2 高熱流和火山活動活躍程度估算

木衛(wèi)一熱輻射特征表明其地表平均熱流極高。依據(jù)對地基望遠鏡獲取的木衛(wèi)一整體熱輻射數(shù)據(jù)進行的估算，其地表平均熱流可達2±1W/m2(Matsonetal., 1981)至2.5W/m2(Veederetal., 1994)，“伽利略號”的后續(xù)紅外探測結(jié)果與之接近(2～2.6W/m2)(Spenceretal., 2000a; Rathbunetal., 2004)。如此高的熱流遠超所有已知其他類地天體，后者的地表平均熱流限于0.01～0.1W/m2(Nimmo and McKenzie, 1998; Furlong and Chapman, 2013; Siegler and Smrekar, 2014)?，F(xiàn)已明確，木衛(wèi)一極高的熱流主要來自其密集火山活動噴發(fā)物產(chǎn)生的熱輻射(圖2i, j)(Veederetal., 1994; Blaneyetal., 1995)，包括活躍的火山口、熔巖流等高溫區(qū)產(chǎn)生的短波長紅外輻射(其出露面積僅占總面積的1.2%，但散發(fā)了木衛(wèi)一一半以上的熱量，Veederetal., 2012, 2015)，以及遠離噴發(fā)中心的廣闊低溫區(qū)產(chǎn)生的長波遠紅外輻射(Spenceretal., 2000a; Rathbunetal., 2004; Veederetal., 2015)。

根據(jù)上述熱流值可估算出木衛(wèi)一火山噴發(fā)物整體向外輻射的熱功率高達1×1014W (100TW，取木衛(wèi)一2.5W/m2的地表平均熱流值乘以其表面積得出)，火山活動如此高的散熱量是現(xiàn)今月球(通過其停滯蓋層體制下巖石圈的熱傳導)總熱量的210～303倍、地球(主要通過板塊形成和俯沖過程中巖石圈、軟流圈的熱對流和熱傳導等散熱)總熱量的2.2倍；根據(jù)實測熱流推算，現(xiàn)今月球和地球的總散熱功率分別為0.34～0.49×1012W(取地表9～13mW/m2的平均熱流值)和46.7×1012W(取地表平均熱流91.6mW/m2)(Davies and Davies, 2010; Siegler and Smrekar, 2014)。此外，還可以進一步估算其當前木衛(wèi)一火山作用的整體活躍程度：若以玄武質(zhì)巖漿為介質(zhì)，火山噴發(fā)物在整個地表的平均覆蓋速率需達到1.4cm/yr(遠超“抹平”地表隕石坑所需的0.1cm/y)，對應的火山噴發(fā)速率需達到500km3/yr以上才能維持木衛(wèi)一表面2.5W/m2的熱流(Johnsonetal., 1979; Blaneyetal., 1995)。作為對比，據(jù)估計現(xiàn)今地球總的巖漿噴發(fā)速率僅約為4.1km3/yr，而侵入速率僅約為29.5km3/yr (Davies, 2007a)。

1.3 木衛(wèi)一的淺部“巖漿洋”

木衛(wèi)一的全球性大規(guī)?；鹕阶饔煤偷乇砀邿崃饕笃鋬?nèi)部發(fā)生顯著的部分熔融，以維持其巖漿/熔體的大規(guī)模形成和噴發(fā)，以至于其上地?？赡艽嬖谌蛐缘臏\部“巖漿洋”(Pealeetal., 1979; Keszthelyietal., 1999)。依據(jù)如下：(1)根據(jù)對“伽利略號”獲取的木衛(wèi)一磁感應數(shù)據(jù)的反演，木衛(wèi)一可能有一個厚度約為50～100km、部分熔融程度(熔體體積百分比)>20%的軟流圈(Khuranaetal., 2011)；(2)木衛(wèi)一可能發(fā)育超基性巖漿(McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; McEwen, 2002; Kargeletal., 2003)，其形成需要木衛(wèi)一上地幔處于高溫(地幔潛能溫度>1600℃)和高程度部分熔融(>50%)狀態(tài)(Keszthelyietal., 2004; Gill, 2010)。也有觀點認為McEwenetal. (1998)高估了1997年P(guān)illan火山熔巖的溫度，火山噴發(fā)物應以玄武質(zhì)為主，地幔熔融程度應為20%～30% (Keszthelyietal., 2007)或更低(Moore, 2001)。因此，目前認為木衛(wèi)一的最上層地幔(軟流圈) 發(fā)生大范圍熔融的可能性較大，但由于缺乏關(guān)于火山噴發(fā)產(chǎn)物的直接實測成分，對其是否存在“巖漿洋”并未達成共識。

1.4 造山作用和巖石圈性質(zhì)

木衛(wèi)一獨特的地貌特征為研究其地殼/巖石圈的地溫特征、流變學性質(zhì)和構(gòu)造運動模式提供了關(guān)鍵線索。除廣泛分布有火山沉積平原、高原和火山口外，木衛(wèi)一的地表還存在約135座構(gòu)造成因的山峰或山脈(圖1)，它們隨機分布于全球范圍，呈不規(guī)則帶狀分布或單獨高聳于平原(圖3a-c)，平均高度為6km(相對于平原)。其中，Bo?saule山脈高達17.5±1.5km (Carretal., 1998; Turtleetal., 2001, 2007)，不僅絕對高程較大，且相對木衛(wèi)一的半徑而言也較為“突出”。這些山脈與平原多以正斷層為界，是巖石圈在擠壓應力下發(fā)生局部破裂、剪切和抬升造成的(Ahernetal., 2017)(圖3d)。

木衛(wèi)一的上述高地形與其軟流圈較高程度的熔融是相互矛盾的。一般認為，木衛(wèi)一大小的天體其重力場足夠強，應能克服自身局部重力不均衡并維持表面流體靜力平衡，因而其地表的起伏程度是有限的(Melosh, 2011a)，尤其是當其下伏軟流圈可能因部分熔融導致黏度降低時。根據(jù)重力均衡原理，如果造山作用形成局部異常厚的巖石圈，且?guī)r石圈直接上覆于較“軟”的軟流圈之上，那么重力均衡調(diào)整會使原本高聳的山脈降低高度(Turcotte and Schubert, 2014)。因此，目前認為，木衛(wèi)一的巖石圈必須具備足夠的厚度和強度，才能允許局部重力不均衡和異常高地形的存在(O’Reilly and Davies, 1981; McEwenetal., 2004; Davies, 2007b; Mooreetal., 2007)。一個形象的比喻是：人雖然不能“站立”在水面上，但可站立在水面頂部的冰層上。木衛(wèi)一山脈的成因具有獨特性，需要結(jié)合其全球構(gòu)造體制來解釋(詳見后文)。

圖3 木衛(wèi)一的造山作用 (a)-(c)地表山脈的形態(tài)，描述據(jù)Turtle et al. (2001)；(d)山脈成因示意圖，據(jù)Ahern et al. (2017)、Turtle et al. (2007)和Bland and McKinnon (2016)的描述繪制. 圖像a和c來源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (編號PIA03886和PIA02540), 圖b據(jù)https://www.lpi.usra.edu/science/schenk/RESEARCH/eub-x.jpg修改Fig.3 Mountain-building on Io (a)-(c) mountains on Io, descriptions after Turtle et al. (2001); (d) schematic diagram of mountain building on Io, inspired by Ahern et al. (2017), Turtle et al. (2007) and Bland and McKinnon (2016). Source of the images (a) and (c): https://photojournal.jpl.nasa.gov (No. PIA03886 and PIA02540), (b) is modified after https://www.lpi.usra.edu/science/schenk/RESEARCH/eub-x.jpg

圖4 木衛(wèi)一的潮汐生熱機制 (a)木星和木衛(wèi)一之間的潮汐作用示意圖(據(jù)Segatz et al., 1988修改)；(b)木衛(wèi)一、木衛(wèi)二和木衛(wèi)三之間的拉普拉斯軌道共振示意圖；(c)木衛(wèi)一潮汐熱的理論估算(據(jù)Hamilton et al., 2013)Fig.4 Tidal heating in Io’s interior (a) schematic diagram of tidal interaction between Jupiter and its moon Io (modified after Segatz et al., 1988); (b) schematic diagram of Laplace orbital resonances between Io, Europa and Ganymede; (c) theoretical estimation of Io’s internal tidal heating (after Hamilton et al., 2013)

1.5 內(nèi)部生熱機制

木衛(wèi)一的內(nèi)部生熱機制十分獨特。一般而言，類地天體內(nèi)部熱量主要來自行星增生階段星子/星胚的動能和核幔分異過程中重力勢能轉(zhuǎn)化而來的內(nèi)能以及放射性元素的衰變熱，這些過程大多僅限于其形成的早期(Stevenson, 2008; Breuer and Moore, 2015)。鑒于木衛(wèi)一的增生和核幔分異等早期生熱機制早已結(jié)束，且內(nèi)部衰變生熱可能已較為微弱，維持其活躍火山活動和深部潛在的大規(guī)模熔融需要大量額外熱量，這一熱量供給一旦大幅減弱或停止，整個木衛(wèi)一上活躍的地質(zhì)活動可能隨之停止(參照大小、密度與之接近的月球)。目前認為，維持木衛(wèi)一較高的內(nèi)部溫度和大規(guī)模的火山作用所需的熱量主要來自木星及其衛(wèi)星對木衛(wèi)一施加的強烈潮汐作用(Pealeetal., 1979; Segatzetal., 1988; Fischer and Spohn, 1990; Tackley, 2001)。其依據(jù)是：根據(jù)長期觀測，木衛(wèi)一的火山活動周期與繞木軌道偏心率演變周期吻合，且火山活動的高峰期對應木衛(wèi)一繞木軌道偏心率的峰值(de Kleeretal., 2019)。潮汐生熱的具體過程為：由于木衛(wèi)一的繞木軌道為橢圓形且處于潮汐鎖定狀態(tài)(即一個半球永遠朝向木星)，造成強烈的潮汐作用并使其在每個繞木公轉(zhuǎn)周期(約1.77天)都會沿自身橢球體長軸方向頻繁發(fā)生隆起和回落(起伏達100m)(圖4a)，此時其深部(如軟流圈)物質(zhì)隨之發(fā)生周期性的扭曲和內(nèi)摩擦作用，最終產(chǎn)生大量熱量。潮汐生熱過程會使木衛(wèi)一的繞木軌道逐漸變?yōu)閳A形并使潮汐作用減弱，但由于木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三在繞木過程中處于1:2:4(軌道周期比值) 的拉普拉斯共振狀態(tài)，木衛(wèi)二、木衛(wèi)三定期施加的額外引力會使木衛(wèi)一的繞木軌道保持橢圓形(圖4b)。拉普拉斯軌道共振對木衛(wèi)一軌道偏心率的影響類似于蕩秋千時，在適合的時機定期地推一把秋千能使其長時間保持大幅度的擺動。

木衛(wèi)一內(nèi)部潮汐作用的生熱量十分可觀。假如木衛(wèi)一地表散發(fā)的熱量全部來自軟流圈的潮汐熱，且軟流圈厚度以50～100km計(Khuranaetal., 2011)，則軟流圈內(nèi)的生熱率高達84.2～20.6μW/m3，換算為全地幔平均值則為4.3μW/m3，后者是地球地幔相應值(0.031μW/m3) 的152倍，同時也遠高于地球富集放射性生熱元素的上地殼的相應值(1～3μW/m3)(Stüwe, 2007; Furlong and Chapman, 2013)。盡管潮汐生熱總量可以估計，但潮汐加熱過程對地幔物質(zhì)的自身溫度、黏度、應變率以及木星-木衛(wèi)一距離、繞木軌道偏心率等外界因素十分敏感，是一個流變-熱-軌道動力學耦合的復雜過程。最早認為潮汐熱來自巖石圈的變形(Pealeetal., 1979)，但這與地表高山的大量分布矛盾(見前文)。后續(xù)改進的理論模型提出了潮汐熱形成位置的兩個端員模型：軟流圈和地幔深部(Ross and Schubert, 1985; Tackleyetal., 2001)。前者形成的熱量集中形成于近木點和遠木點兩側(cè)，而后者則集中于兩極地區(qū)(圖4c)。根據(jù)木衛(wèi)一的火山分布和熱流分布可檢驗上述潮汐生熱端員模型，目前認為軟流圈加熱和地幔深部加熱均有貢獻(Hamiltonetal., 2013; Veederetal., 2015)。不過，地幔對流傾向于消除潮汐熱源分布不均造成的熱流空間分布異常(Tackleyetal., 2001; Tackley, 2001)。目前對木衛(wèi)一潮汐生熱作用的確切位置(相當于地幔熔融和熔體/巖漿形成的位置)、生熱總量和及其動態(tài)演變還缺乏更多觀測數(shù)據(jù)的制約(Van Hoolstetal., 2020)。

2 熱管構(gòu)造體制

木衛(wèi)一的活躍火山作用、高熱流、高地表更新速率、高地貌特征和深部地幔高程度熔融等不同尋常的現(xiàn)象，迫切需要不同于停滯蓋層構(gòu)造和板塊構(gòu)造的其他構(gòu)造體制予以解釋。木衛(wèi)一在大規(guī)?；鹕阶饔弥鲗?，其散熱方式和垂向物質(zhì)循環(huán)方式體現(xiàn)了一種全新的構(gòu)造體制——熱管構(gòu)造(O’Reilly and Davies, 1981)。

圖5 計算機散熱用熱管實物(a)和熱管快速導熱原理示意圖(b)(據(jù)Lee，2010繪制)Fig.5 Photograph of typical heat pipes used on a computer heat sink (a) and schematic diagram of rapid heat transfer of a heat pipe (b) (modified after Lee, 2010)

2.1 熱管效應和熱管構(gòu)造

為便于闡述木衛(wèi)一的構(gòu)造體制，在此先簡要介紹“熱管”和“熱管效應”的概念。熱管是制冷、建筑和航天等領(lǐng)域廣泛使用的一種借助封閉腔體內(nèi)工作介質(zhì)(如水、氨和甲烷等)的快速、持續(xù)的汽化(吸熱)-冷凝(放熱)和往返循環(huán)進行高效導熱的元件(圖5b)。以常見的以水為工作介質(zhì)的熱管為例(圖5a)，其有效熱導率達到100KW/m·K量級，遠高于銅、鐵等金屬的熱導率(300K時分別為400W/m·K和80W/m·K, Lee, 2010)；若以“熱阻”衡量，熱管的等效熱阻值為僅為同等尺寸銅棒熱阻值的1/1500，由于熱阻極小，熱管的優(yōu)良導熱性質(zhì)又被稱為“熱超導性”(陶文銓，2019)。在此將熱管這種依賴內(nèi)部工質(zhì)的相變和循環(huán)實現(xiàn)快速導熱的現(xiàn)象稱為“熱管效應”。

從熱量傳遞和物質(zhì)循環(huán)的角度看，類地天體的火山作用存在顯著的熱管效應，木衛(wèi)一尤其如此。木衛(wèi)一的地表高熱流和大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)必然要求其軟流圈-巖石圈-地表之間發(fā)生快速的垂向熱量傳遞和物質(zhì)循環(huán)(圖6a)。具體地質(zhì)過程包括：(1)巖漿的形成、向上遷移和噴發(fā)：軟流圈地幔物質(zhì)吸收內(nèi)部熱量后溫度升高并發(fā)生部分熔融形成熔體，后者與源區(qū)分離后經(jīng)巖漿通道向上遷移并噴發(fā)至地表，最終在大氣層內(nèi)(或直接暴露在太空中)充分冷卻，這一過程本質(zhì)上是以巖漿為載體將熱量從深部帶到地表；(2)噴發(fā)物的堆積、沉降和折返：冷卻后的火山噴發(fā)物快速覆蓋于木衛(wèi)一的整個表面并大量堆積，最終在重力作用下發(fā)生沉降并折返至深部，以彌補大量熔體/巖漿析出后在深部巖漿源區(qū)留下的空白(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Blaneyetal., 1995; Kankanamge and Moore, 2019)。上述過程中，前者的巖漿遷移過程主要發(fā)生在地殼/巖石圈內(nèi)部各巖漿通道內(nèi)(其在地表實際出露的總面積僅占木衛(wèi)一表面積極小的比例)，后者則發(fā)生在木衛(wèi)一除巖漿通道外的整個地表，二者的物質(zhì)遷移方向相反且總量相等以滿足物質(zhì)守恒定律。整個過程涉及氣(揮發(fā)分)-液(熔體)-固(巖石)快速相變(硅酸鹽的部分熔融-結(jié)晶、硫/硫化物的熔融-蒸發(fā)/升華-冷凝/凝華)和遷移(通過全球范圍內(nèi)大規(guī)模的巖漿上升、噴發(fā)和折返)，其總散熱速率與火山噴發(fā)的總體速率成正比。木衛(wèi)一正是借助數(shù)量眾多、但出露面積僅占總地表面積極少比例(遠低于1%) 的巖漿通道遷移、噴發(fā)了大量巖漿，將內(nèi)部形成的大部分熱量(≥56%)帶到地表并散發(fā)到外太空(Blaneyetal., 1995; Williamsetal., 2011; Veederetal., 2012)。

在軟流圈-巖石圈尺度內(nèi)，木衛(wèi)一這種依賴火山作用進行大規(guī)模的物質(zhì)循環(huán)并向外高效傳遞內(nèi)部熱量的構(gòu)造體制有別于太陽系其他類地天體的現(xiàn)有模式。由于與熱管的高效傳熱原理相同，這一構(gòu)造體制被稱為“熱管構(gòu)造”(heat-pipe tectonics)(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Moore and Webb, 2013; Mooreetal., 2017)。

圖6 木衛(wèi)一的熱管構(gòu)造示意圖(a, 據(jù)Davies, 2007e; O’Reilly and Davies, 1981繪制)及木衛(wèi)一上地幔的地溫示意圖(b, 據(jù)O’Reilly and Davies, 1981; Leone et al., 2011修改)Fig.6 Schematic model of Io’s heat-pipe tectonics (a, adapted from Davies, 2007e; O’Reilly and Davies, 1981) and schematic geothermal profiles in Io’s upper mantle (b, modified after O’Reilly and Davies, 1981; Leone et al., 2011)

熱管構(gòu)造具有以下顯著特征：(1)在軟流圈-巖石圈范圍內(nèi)引發(fā)較快物質(zhì)-能量循環(huán)：在木衛(wèi)一的軟流圈-巖石圈尺度內(nèi)(100～200km)，巖漿的遷移和噴發(fā)過程的傳熱效率遠高于熱傳導，前者的發(fā)生時間可能僅為千年尺度(Daviesetal., 2010; Williamsetal., 2011)，而后者所需時間則在100Myr以上(Stüwe, 2007)。木衛(wèi)一僅依賴火山作用便可完成軟流圈-巖石圈-地表之間的內(nèi)外傳熱和物質(zhì)交換，其效率遠高于單純依賴巖石圈熱傳導的停滯蓋層構(gòu)造，也高于依賴巖石圈參與地幔對流(也包括巖石圈熱傳導)的板塊構(gòu)造體制。(2)熱管構(gòu)造形成較冷的巖石圈，使軟流圈-巖石圈內(nèi)形成“冰火兩重天”的地溫特征(圖6b)：火山沉積物的快速堆積和地表快速沉降抑制了軟流圈對巖石圈的加熱，使之難以達到穩(wěn)態(tài)傳導地溫，從而形成冷的巖石圈，而軟流圈及更深處地幔的地溫則較高，以此維持自身大規(guī)模部分熔融并提供大規(guī)模火山作用所需的巖漿(Mooreetal., 2007; Leoneetal., 2011)。(3)在巖石圈內(nèi)部形成擠壓為主的應力特征，結(jié)合巖石圈的低地溫、高流變強度特性，往往形成局部造山并維持較高的地形(圖3)。(4)熱管構(gòu)造下巖石圈等同于地殼：木衛(wèi)一的大規(guī)模物質(zhì)循環(huán)以垂向為主，決定了軟流圈以上的整個圈層不停處于垂向更新的狀態(tài)中，使地殼與軟流圈直接接觸(圖6a)，二者之間難以形成巖石圈地幔(Keszthelyietal., 2004; Mooreetal., 2007)，而后者是最上層地幔經(jīng)充分冷卻、“硬化”形成的(Ghail, 2015; Karato and Barbot, 2018; Sternetal., 2018)。

需要說明的是，“熱管構(gòu)造”容易與“地幔柱”的概念相混淆，二者在存在的空間范圍和熱傳遞機制發(fā)生上存在本質(zhì)的區(qū)別(圖7)：地幔柱總體上是固態(tài)地幔在整個地幔內(nèi)部的對流(雖然地幔柱上涌造成的地幔熔融本身也部分以地表火山作用的形式表體現(xiàn)并因此存在熱管效應)，但熱管構(gòu)造主要的物質(zhì)和能量循環(huán)主要限于軟流圈-巖石圈之間；熱管構(gòu)造的熱傳遞依賴木衛(wèi)一殼幔物質(zhì)的相變和對流，而地幔柱的熱傳導主要則通過固態(tài)地幔物質(zhì)的對流將地球深部內(nèi)部的熱量帶到淺部，其作用范圍涉及整個地幔。

2.2 熱管構(gòu)造體制下造山運動與火山作用之間的成因聯(lián)系

現(xiàn)有研究表明，火山作用主導的熱管構(gòu)造強化了木衛(wèi)一地表的高地貌特征。根據(jù)前文的分析，在熱管體制下，木衛(wèi)一的新老地殼發(fā)生快速更替會引發(fā)巖石圈尺度的大規(guī)模垂直物質(zhì)循環(huán)。在此過程中，地表火山噴發(fā)物的堆積引起地殼整體沉降(圖3d、圖8)，為維持物質(zhì)守恒，上述過程促使剛性巖石圈向內(nèi)收縮并在其底部產(chǎn)生0.3～0.5GPa的橫向擠壓應力(即“沉降應力”)，相比之下，據(jù)推測木衛(wèi)一現(xiàn)有巖石圈的厚度為20～30km (Carretal., 1998; Jaegeretal., 2003)，巖石圈底部靜巖壓力僅為～0.15GPa (Schenk and Bulmer, 1998; Jaeger, 2003)。因此，大規(guī)模火山作用在巖石圈內(nèi)引發(fā)了“拱券效應”(Arch effect，圖3d)。受此影響，巖石圈局部發(fā)生破裂和抬升并形成山脈(Turtleetal., 2001 2007; Jaeger, 2003; Kirchoff and McKinnon, 2009; Ahernetal., 2017)。此外，在熱管構(gòu)造體制下，巖石圈的低溫特征增加了巖石圈的機械強度(Schenk and Bulmer, 1998; Kirchoff and McKinnon, 2009; Kirchoffetal., 2020)，使構(gòu)造擠壓和抬升引發(fā)的巖石圈-軟流圈局部重力不均衡現(xiàn)象更加突出。進一步的數(shù)值模擬研究表明，木衛(wèi)一的巖石圈造山作用還會造成山脈附近地殼的張裂和巖漿通道的形成(Bland and McKinnon, 2016)，解釋了木衛(wèi)一山脈多與火山口和熔巖湖共存的原因(Carretal., 1998; Bunteetal., 2010; Kirchoffetal., 2011)?？傊跓峁軜?gòu)造體制下，木衛(wèi)一表面大規(guī)模火山作用造成的垂向物質(zhì)循環(huán)是其造山作用強烈、山脈廣布的根本原因。

圖7 熱管構(gòu)造與地幔柱的對比及二者可能的共存方式示意圖 為便于比較二者在促進類地天體冷卻過程中導熱方式的異同，這里將二者置于一起并假設(shè)地幔熔融和火山作用由地幔柱加熱引發(fā)Fig.7 Schematic diagram showing the difference between the heat-pipe tectonics and the mantle plume and a possible scenario of how they coexists when occur The mechanism of the mantle melting to feed the volcanism is assumed to be induced by mantle plumes for easy comparison

圖8 木衛(wèi)一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巖石圈垂向物質(zhì)循環(huán)示意圖(據(jù)Davies，2007b；Anderson et al.，2001；Moore et al.，2007繪制)Fig.8 Cartoon depicting the structure of Io’s interior, also shown is the circulation of materials in the upper mantle in response to its heat pipe tectonics (modified after Davies,2007b; Anderson et al., 2001; Moore et al.,2007)

2.3 熱管構(gòu)造體制下木衛(wèi)一的物質(zhì)分異

根據(jù)重力、密度和磁場數(shù)據(jù)反演以及地表成分測溫，目前推測木衛(wèi)一的內(nèi)部具有顯著的核-幔-殼結(jié)構(gòu)(圖8)。木衛(wèi)一的核可能由Fe-FeS組成并處于全熔狀態(tài)，由于沒有探測到磁場(Kivelsonetal., 2004)，其內(nèi)部磁流體發(fā)電機可能受高溫地幔的抑制(Nimmo, 2002; Kivelsonetal., 2004; O’Rourke, 2020)；地幔成分主要為硅酸鹽(Keszthelyi and McEwen, 1997; Keszthelyietal., 2004, 2007)；地殼主要以基性硅酸鹽為主(見前文)，但也可能含有高分異長英質(zhì)(Keszthelyi and McEwen, 1997; Keszthelyietal., 2007)。上述結(jié)構(gòu)如何形成？作為分異的起點，木衛(wèi)一可能由類似 L/LL型球粒隕石(根據(jù)其與木衛(wèi)一總體密度的相似性推測)(Kuskov and Kronrod, 2001)或CII/CM型球粒隕石(依據(jù)其與木衛(wèi)一類似的總體成分和貧揮發(fā)分特征)(Consolmagno, 1981; Lewis, 1982)等原始物質(zhì)吸積而成。在早期吸積過程中，木衛(wèi)一的核幔分異會在其可能存在的巖漿洋時期快速完成，使Fe和親Fe元素形成地核，其余元素進入地幔(McKinnon, 2007; Stevenson, 2008)。在相對緩慢的后續(xù)殼幔分異過程中，木衛(wèi)一大規(guī)模的地幔部分熔融和巖漿結(jié)晶分異必然會使其原始地幔物質(zhì)會進一步發(fā)生分異，使地幔中的不相容元素(Na、K和Si等)分離并進入地殼，而難熔的富Al、Mg、Ca、Fe成分(類似CAI) 則殘留在地幔內(nèi)，上述殼幔分異過程傾向于形成成分和密度差別巨大的殼和幔。據(jù)估算，假如以CII/CM型球粒隕石成分作為木衛(wèi)一的初始成分，且46億年以來其一直存在現(xiàn)有規(guī)模的火山活動，其熱管效應散失的熱量足以使整個木衛(wèi)一全熔40次或部分熔融以400次(以10%的熔融程度計)；如果類似的火山活動僅持續(xù)木衛(wèi)一1%的地質(zhì)歷史(即數(shù)十個百萬年)，理論上也會使其分異出約50km厚、以堿性硅酸鹽(如長石和霞石)等低密度低熔長英質(zhì)地殼，以及總體成分為純橄巖的地幔(可進一步分異出富Fe和Ca的下地幔)(Keszthelyi and McEwen, 1997)。

如果按照上述的“常規(guī)”分異路徑演化，正在發(fā)生劇烈?guī)r漿作用的木衛(wèi)一應該經(jīng)歷了極端的殼幔分異，其地殼總體密度應較低。然而，這樣的高分異地殼的存在與木衛(wèi)一現(xiàn)存的火山活動的規(guī)模，以及木衛(wèi)一的地殼/巖石圈主要為基性成分這一觀測事實相悖。這是因為現(xiàn)今規(guī)模的火山活動不僅需要巖漿大量形成，也依賴巖漿的大規(guī)模向上遷移，后者的主要驅(qū)動力為巖漿-地殼圍巖之間密度差導致的正浮力，而地幔熔融形成的主要是比高分異長英質(zhì)密度更高的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)成分，前者難以穿越長英質(zhì)地殼并維持全球性的大規(guī)模噴發(fā)(Wieczoreketal., 2001; Wilson, 2009; Michaut and Pinel, 2018)。不過，這一難題可從熱管構(gòu)造自身的垂向物質(zhì)循環(huán)特征予以克服：在熱管構(gòu)造體制下，木衛(wèi)一的地殼物質(zhì)可能因底部接觸高溫軟流圈而受熱熔融，其熔融產(chǎn)物容易與軟流圈熔體/巖漿混合并返回地幔，從而使地殼內(nèi)將無法積累高分異成分(Carretal., 1998; Keszthelyietal., 1999; McEwen, 2002; Keszthelyietal., 2007)，符合木衛(wèi)一地殼/巖石圈為基性成分這一觀測結(jié)果(尚存爭議)。

因此，目前的證據(jù)表明，木衛(wèi)一可能已分異出核-幔-殼結(jié)構(gòu)；盡管巖漿作用十分活躍，木衛(wèi)一可能未經(jīng)歷充分的殼幔分異，未能形成(或保留)類似地球上存在的長英質(zhì)地殼，這是熱管構(gòu)造體制下木衛(wèi)一劇烈而徹底的垂向物質(zhì)循環(huán)模式造成的。上述推測還有待更多證據(jù)支持，尤其是需要對木衛(wèi)一的地殼/巖石圈和地幔物質(zhì)成分進行精確測定。此外，探討木衛(wèi)一大規(guī)模巖漿活動背后的熔體/巖漿形成、遷移過程及其對內(nèi)部物質(zhì)分異的影響涉及對內(nèi)部溫度、組分、流變學特征等因素之間的協(xié)同演化，后者是一系列強烈的非線性過程，現(xiàn)有研究已開始嘗試對其進行量化(Spenceretal., 2020)，后續(xù)還需進一步加強。

2.4 熱管構(gòu)造的發(fā)生條件

木衛(wèi)一的熱管構(gòu)造的發(fā)生依賴其巖石圈-軟流圈內(nèi)大規(guī)模的巖漿形成-遷移-噴發(fā)-冷卻和折返，上述每一個步驟的減弱或停止，都會使熱管構(gòu)造暫停或停止并轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麡?gòu)造體制。因此，只有大規(guī)模巖漿作用持續(xù)發(fā)生，才能維持熱管構(gòu)造，具體為：首先，作為首要條件，不論生熱機制是什么，充足的熱量是木衛(wèi)一所有地質(zhì)構(gòu)造活動的原始驅(qū)動力，要使其內(nèi)部(至少在巖漿源區(qū))保持較高溫度并大規(guī)模熔融形成熔體/巖漿需要足夠高的生熱率來維持(Jaupart and Mareschal, 2011)。如果沒有強烈的潮汐加熱，木衛(wèi)一的內(nèi)部熔融和巖漿過程將會停止，并最終可能演變?yōu)榕c月球、水星類似的死寂天體(Mooreetal., 2017)。其次，深部形成的熔體/巖漿要能穿過地殼/巖石圈大規(guī)模向上遷移并噴發(fā)于地表。這取決于巖石圈的熱狀態(tài)、流變性和內(nèi)部的應力狀況以及巖漿上升的驅(qū)動力強弱，后者來自熔體/巖漿相對圍巖存在密度差和浮力。類地天體(如月球、水星和地球)表面巖漿活動具有普遍性(Keszthelyietal., 2006; Wilson, 2009; Melosh, 2011b; Wilson and Keil, 2012)，以現(xiàn)有觀測來看，只要深部存在巖漿持續(xù)形成的條件，后續(xù)的巖漿過程往往是不可阻擋，而巖石圈局部拉張形成構(gòu)造薄弱帶等因素則會進一步促進巖漿通道的形成(Huppertetal., 1984; Keszthelyi, 1995; Keszthelyi and Self, 1998; Battagliaetal., 2014; Bland and McKinnon, 2016)。此外，火山噴發(fā)物大范圍覆蓋地表并能快速冷卻(以大氣圈、水圈等為媒介或直接向太空輻射熱量)，其時間尺度約數(shù)小時至數(shù)月，遠小于巖漿遷移過程的千年尺度(Davies, 2007d; Daviesetal., 2010; Williamsetal., 2011)，因而這是熱管構(gòu)造發(fā)生的所需條件中最容易達到的，尤其是當大氣層稀薄、高溫噴發(fā)物直接面向太空時(Davies, 2007d; Keszthelyietal., 2007)。

從本質(zhì)上講，熱管構(gòu)造體制的發(fā)生主要取決于類地天體地幔巖漿源區(qū)能否保持較高溫度，以及是否存在較強的內(nèi)生熱作用以維持上述高溫。后續(xù)還需要進一步明確具體的內(nèi)生熱率和地溫閾值。

3 討論

3.1 對類地天體構(gòu)造演化的啟示

除地球、木衛(wèi)一外，太陽系中絕大多數(shù)類地天體的地質(zhì)活動多已停止，但大多保留了較為豐富的構(gòu)造-巖漿活動記錄，為還原其早期熱-構(gòu)造演化提供了線索。水星保留了41～35.5億年前的鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)熔巖大規(guī)模溢流式噴發(fā)的充填平原(Wilson and Head 2008; Headetal., 2011; Marchietal., 2013)，也保留了同時期伴隨其整體冷卻收縮和地殼/巖石圈擠壓形成的、遍布全球的擠壓構(gòu)造(如葉狀陡崖和皺脊等)(Headetal., 2009; Wattersetal., 2009; Byrneetal., 2014)，表明早期水星強烈的巖漿活動造成了顯著的巖石圈擠壓作用(Wattersetal., 1998; Wilson and Head, 2008; Headetal., 2009; Multhaup, 2009; Charlieretal., 2013)。無獨有偶，月球也保留了與之類似古老的巖漿-構(gòu)造記錄(Head and Wilson, 1992; Hiesingeretal., 2003; Teradaetal., 2007)。而灶神星等小行星也保留了早期演化的地質(zhì)記錄，現(xiàn)有研究指出，它們的內(nèi)部在形成初期強烈的放射生熱作用(如通過26Al衰變) 下往往發(fā)生過熔融，形成的熔體受浮力或應力擠壓后與源區(qū)殘余物質(zhì)分離，然后上升形成巖漿噴發(fā)至地表，并很快分異出鎂鐵質(zhì)地殼(Wilson and Keil, 2012; Clenetetal., 2014; McSweenetal., 2019)。上述類地天體的早期地質(zhì)記錄現(xiàn)有記錄反映了以下事實：類地天體的殼幔分異可能普遍發(fā)生較早并形成廣泛覆蓋地表的鎂鐵質(zhì)火山巖，火山作用往往伴隨活躍且以收縮擠壓為主的構(gòu)造運動。這些特征體現(xiàn)了巖漿活動對其早期構(gòu)造演化重要作用，可通過熱管構(gòu)造來解釋這些巖漿-構(gòu)造演化特征的成因相關(guān)性(Turcotte, 1989; Mooreetal., 2017)。

圖9 太陽系類地天體現(xiàn)存的幾種主要構(gòu)造體制及其演化示意圖(據(jù)Stern et al., 2018修改)Fig.9 Carton showing the evolution of tectonic regimes of terrestrial bodies in the Solar System (modified after Stern et al., 2018)

Mooreetal. (2017)進一步認為，在類地天體演化過程中，熱管構(gòu)造的發(fā)生有一定的必然性。類地天體演化進程是其散失內(nèi)部熱量的過程，作為制約地表散熱的關(guān)鍵因素，其構(gòu)造體制可以自我調(diào)整以適應當時的地溫和內(nèi)部生熱條件(圖9)。當內(nèi)部地溫和內(nèi)生熱率較高時，類地天體需要其演變出比板塊構(gòu)造或停滯蓋層構(gòu)造等更為高效的散熱機制(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016)。木衛(wèi)一生動地展示了一個類地天體能夠以火山作用主導其地表散熱過程，對應的熱管構(gòu)造可能是其強內(nèi)生熱條件下眾多可能的構(gòu)造體制中的“最優(yōu)解”。對大多數(shù)類地天體而言，熱管構(gòu)造可能多限于類地天體在巖漿洋固化后相對短暫的演化階段(Mooreetal., 2017)，這一階段可提供其發(fā)生所需的高地溫、高生熱率等相對苛刻的條件。由于這樣的高內(nèi)能狀態(tài)不能長期維持，熱管構(gòu)造如果發(fā)生其持續(xù)時間相對于其他構(gòu)造體制而言可能較為短暫。

3.2 早期地球發(fā)生熱管構(gòu)造的可能性

在眾多類地天體中，只有地球長期存在板塊構(gòu)造，但一般認為其演化早期缺乏發(fā)生板塊構(gòu)造的條件(van Hunen and Van Den Berg, 2008; van Hunen and Moyen, 2012; Korenaga, 2013; Karato and Barbot, 2018)。根據(jù)最古老的鋯石記錄，地球可能早在43～44億年前就存在殼幔分異形成的長英質(zhì)地殼(以TTG為主)(Ernst, 2009; Harrison, 2009; Kempetal., 2010; 第五春榮等, 2010)，這些早期長英質(zhì)地殼物質(zhì)未能保留，其大量出現(xiàn)要在距今35億年以后才開始(Hawkesworthetal., 2016; 萬渝生等, 2017)。從這些有限信息中很難還原出前板塊構(gòu)造體制的輪廓，需要另尋思路。由于木衛(wèi)一與冥古宙-太古宙早期的地球在高地溫、高內(nèi)生熱、發(fā)育超基性漿巖和巖漿作用活躍等方面存在相似性，前者的熱管構(gòu)造可能適用于這一時期的地球(Moore and Webb, 2013; Moresi, 2013; Bealletal., 2018; Sternetal., 2018)。這僅是基于比較行星學的推測，對于能否直接套用于地球還有爭議，目前認為上述可能性是存在的。

根據(jù)木衛(wèi)一的熱管構(gòu)造特征和數(shù)值模擬結(jié)果，Moore and Webb (2013)認為地球在其前三分之一歷史內(nèi)處于熱管構(gòu)造體制下，并在32億年前被板塊構(gòu)造取代。理由如下：首先，太古宙地層中普遍存在短期內(nèi)快速堆積火山沉積，如在西澳大利亞Pilbara克拉通和南非Barberton克拉通的太古宙綠巖帶中存在快速沉積形成的基性-超基性火山沉積地層(其火山地層沉積速率至少為0.03～0.12mm/yr，考慮到火山地層間存在角度不整合且經(jīng)歷后期伸展減薄過程，實際的火山沉積速率應遠超上述值)，其噴發(fā)年齡限于32億年前，且二者均缺乏同期伸展構(gòu)造，符合形成熱管構(gòu)造所需的高地表更新速率以及熱管構(gòu)造傾向于在地殼/巖石圈內(nèi)形成擠壓應力的特征。再如，西澳大利亞Yilgarn克拉通杰克山(Jack Hills) 地區(qū)的變沉積巖內(nèi)殘存的古老碎屑鋯石的O、Hf和Nd等的同位素特征表明，早在約44～43億年前，其鋯石母巖TTG就可能由在早期水圈中經(jīng)歷風化的鎂鐵質(zhì)原始地殼重熔形成(Mojzsisetal., 2001; Wildeetal., 2001; Bédard, 2006; Blichert-Toft and Albarède, 2008; Harrisonetal., 2008; Harrison, 2009; Valleyetal., 2014; Wang and Wilde, 2018)，這些鋯石中還發(fā)現(xiàn)金剛石-石墨包裹體，其C同位素特征也反映其C元素可能的地表來源(Mennekenetal., 2007; Nemchinetal., 2008)。上述信息反映了早期地球可能存在強烈的殼幔分異和地殼形成過程中原始地殼的再造(reworking)。這需要冥古宙地球借助熱管構(gòu)造這樣的構(gòu)造體制以垂向“傳送帶”式的構(gòu)造運動將早期地表物質(zhì)(包括原始地殼巖石、水和碳等)帶入深部(如>100km的金剛石穩(wěn)定域)，并促進其地幔的熔融和分異并形成早期長英質(zhì)(Mennekenetal., 2007)。此外，Moore and Webb (2013)認為，32億年后的地球由于內(nèi)生熱的減弱(因放射性元素衰變)不能維持熱管構(gòu)造，并在這一時間切換為板塊構(gòu)造：在高地幔生熱條件下，如果熱管構(gòu)造主導地表散熱傾向于形成冷、厚且底部平滑的巖石圈(因橫向上只能維持較小溫差)，地幔對流對巖石圈產(chǎn)生的拖拽應力不足等因素使巖石圈難以破裂、俯沖，從而抑制板塊構(gòu)造；隨著地球內(nèi)生熱、地幔熔融程度和火山作用的減弱，地幔對流的拖拽加強以及巖石圈局部變薄處應力集中，熱管構(gòu)造難以維持并會被板塊構(gòu)造取代(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016; Bealletal., 2018)。

需要說明的是，目前地球最早的地質(zhì)記錄中也反映了當時地球在構(gòu)造運動、殼幔分異方面與熱管構(gòu)造相悖的三個關(guān)鍵信息：(1)長英質(zhì)TTG為主大量形成于距今38～36億年以后，期間地殼以高地溫為特征(Ernst, 2009; 張旗和翟明國, 2012; 翟明國, 2019)，這與熱管構(gòu)造傾向于形成較冷巖石圈的預期不符(圖6b)；(2) 38～25億年之間地幔大量分異出長英質(zhì)TTG并在地殼中保留至今，而熱管構(gòu)造使巖石圈-軟流圈間的物質(zhì)循環(huán)較為徹底，不利于保留這些長英質(zhì)，前者傾向于把它們?nèi)繋Щ氐蒯＃?3)如果地殼在早期即已演化出大量長英質(zhì)，地幔熔融形成的高密度鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖漿難以大規(guī)模噴發(fā)于地表(類似木衛(wèi)一的大規(guī)模噴發(fā)至少要求地殼/巖石圈的成分和巖漿相同或類似)，從而抑制熱管構(gòu)造?；谏鲜龇治?，由于熱管構(gòu)造物質(zhì)循環(huán)方式使其不利于長英質(zhì)地殼的大規(guī)模形成，因此至少不應發(fā)生于地球大量形成TTG的地史時期。相反，當時的構(gòu)造體制應以允許巖漿作用以侵入為主而非噴發(fā)作用主導(Rozeletal., 2017; Lourencoetal., 2018)。

因此，38～36億年以后的動力學環(huán)境不宜用熱管構(gòu)造解釋，因此，熱管構(gòu)造的持續(xù)時間可能短于Moore and Webb (2013)推測的時間范圍。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)觀察，熱管構(gòu)造可能適用于較早期的冥古宙-早太古宙地球，即巖漿洋(尚存爭議)固化后、TTG尚未大量形成或保留的演化階段(圖9)。理由如下：首先，長英質(zhì)組分是地球特有的殼幔高度分異產(chǎn)物，熱管構(gòu)造的垂向循環(huán)雖然不利于保留地球最早殼幔分異的產(chǎn)物(如TTG等)，但是可以解釋長英質(zhì)成分在冥古宙就已經(jīng)形成但無法保留的觀察事實。其次，長英質(zhì)組分是超鎂鐵質(zhì)地幔橄欖巖-鎂鐵質(zhì)巖-中性巖-長英質(zhì)巖分異路徑的末端產(chǎn)物(Bédard, 2006)，相對其他構(gòu)造體制而言，熱管構(gòu)造引發(fā)的垂直物質(zhì)循環(huán)造成的快速分異傾向于大規(guī)模形成鎂鐵質(zhì)，不僅有利于在地球演化早期快速、大規(guī)模地積累鎂鐵質(zhì)地殼，并在地殼深部為后續(xù)的中酸性巖提供“原材料”，也能促進地表揮發(fā)分進入其源區(qū)深部促進原巖的熔融和分異，因為揮發(fā)分是長英質(zhì)成分得以形成的關(guān)鍵因素(Moore and Webb, 2013)。第三，早期地球在巖漿洋固化后的地球內(nèi)部溫度較高(包括殘留的吸積熱等)，總體生熱率較高(放射性衰變熱是當前值的4～5倍)，需要熱管構(gòu)造等“更合適”的構(gòu)造體制進行高效的散熱，同時，由于地幔較容易發(fā)生熔融且早期地殼以鎂鐵質(zhì)成分為主，巖漿作用活躍且傾向于以噴發(fā)為主，符合熱管構(gòu)造的特征。

綜上所述，可以推測：冥古宙-始太古代時期(約38億年以前) 的地球可能處于熱管構(gòu)造體制下，后續(xù)演化階段不再具備維持該體制的條件。不過，即使地球存在過熱管構(gòu)造，其引發(fā)的強烈垂向物質(zhì)循環(huán)(地殼/巖石圈主要由較易折返回地幔的超鎂鐵質(zhì)-鎂鐵質(zhì)成分組成)，外加同期強烈的外動力地質(zhì)作用(如太陽系“后期隕石密集轟擊事件”，Ryder, 2002)和其他后續(xù)地質(zhì)作用的長期改造，可能使熱管構(gòu)造的地質(zhì)記錄被“抹掉”，為相關(guān)研究帶來困難。早期地球是否存在熱管構(gòu)造取決于后續(xù)對其性質(zhì)、發(fā)生條件及其對類地天體熱演化和物質(zhì)分異的潛在影響等關(guān)鍵問題的研究能否取得突破。

4 結(jié)論和展望

現(xiàn)今的木衛(wèi)一存在強烈的火山作用、極高的地表熱流、快速更新的地表、活躍的造山作用和內(nèi)部強烈的潮汐加熱作用，并且可能發(fā)育超鎂鐵質(zhì)巖漿并存在“巖漿洋”，體現(xiàn)了其在太陽系內(nèi)獨一無二的動力學特征。相對于其他構(gòu)造體制，熱管構(gòu)造可以很好地解釋上述特征。木衛(wèi)一展示了類地天體能以火山作用主導其全球構(gòu)造運動和地表散熱過程，其熱管構(gòu)造體制與其當前較高的地溫和較強的內(nèi)生熱條件相適應。在類地天體演化的早期，盡管內(nèi)部生熱機制與木衛(wèi)一可能存在顯著差異，但巖漿作用活躍、內(nèi)部溫度高、內(nèi)生熱作用強烈是其共性，它們在演化的早期可能都經(jīng)歷了類似的熱管構(gòu)造階段。

對地球而言，現(xiàn)有證據(jù)不排除其演化早期經(jīng)歷過熱管構(gòu)造階段的可能性，后者相對其他構(gòu)造體制而言更有利于早期地球散發(fā)內(nèi)部積累的熱量，也有利于其地?？焖俜之惓鲈缙诘貧?。同時，由于地球在38億年后才大量形成TTG，而熱管構(gòu)造并不利于保留這些殼幔分異產(chǎn)物，依據(jù)TTG形成的時間上限推測，熱管構(gòu)造的發(fā)生可能僅限于約38億年以前的冥古宙-始太古代時期。由于地球沒有保留相應的早期構(gòu)造活動的證據(jù)，木衛(wèi)一是揭開地球早期演化的關(guān)鍵“鑰匙”。對此，亟待以木衛(wèi)一為研究對象，對熱管構(gòu)造的性質(zhì)、發(fā)生條件等關(guān)鍵問題進一步開展定量研究。

致謝感謝中國科學院地球化學研究所朱丹研究員和張明明對本文第一作者在木衛(wèi)一演化研究方面的幫助；兩位審稿人對本文的初稿提出了寶貴的修改意見和建議，在此深表感謝。