类地行星岩浆洋流体力学（选译）

摘要：地球岩浆洋结晶模式看来符合以下流体力学和地球化学制约。即使最大的撞击也不可能完全熔融地球。在经均衡调整之后，地幔底部温度可接近或稍高于固相线。在小于1000年时间之内，凝固前锋（solidification front）传播至地表并在一定临界压力下停止了，分离出的地幔还未发生分异。分异作用主要发生在浅部残留岩浆洋中，可延续到形成期后相当长时期。随后的撞击使铁聚集于浅部岩浆洋底部，并分凝进入地核中。地核边界对应金属－硅酸盐平衡压力28GPa，这被亲铁元素的分异实验所证实。

1. 引言

　　许多学者认为地球在增生期间经历了熔融作用，尤其是已认识到形成地球的某些星子一定具有火星或月球那样的尺寸（Safronov, 1978; Wetherill, 1985, 1990, 1992; Weidenschilling et al., 1997）。该尺寸的星体碰撞能导致熔融，甚至引起地球物质部分蒸发（Safronov, 1978; Benz and Cameron, 1990; Melosh, 1990）。这种大撞击作用对月球起源及其组分、地月系统角动量也成功地作出解释（Benz et al., 1986, 1987, 1989; Stevenson, 1987; Newsom and Taylor, 1989; Canup and Esposito, 1996; Ida et al., 1997; Cameron, 1997; Canup and Agnor, 2000）。与其它因素，如温室效应、地核形成泄放热和短半衰期的同位素衰变热（Flasar and Birch, 1973; Safronov, 1978; Kaula, 1979; Abe and Matsui, 1986; Matsui and Abe, 1986; Zahnle et al., 1988），这暗示早期地球经历了明显的熔融，于是产生了岩浆洋假设。

岩浆洋假设为解释现代地球组分提供了一种新的理论基础（Ohtani, 1985; Ohtani and Sawamoto, 1987; Agee and Walker, 1988; Herzberg and Gasparik, 1991; Gasparik and Drake, 1995）。但类地行星岩浆洋分异作用的化学模型有严格条件限制（次要、痕量元素表现出似球粒陨石丰度特征），以防止下地幔钙钛矿发生分异（Kato et al., 1988a,b; Ringwood, 1990; McFarlane and Drake, 1990; McFarlane et al., 1994）。另一方面，在岩浆洋的温度、压力和组分条件下的分配系数没得到良好制约，化学分异的可能范围仍不清楚（e.g., Presnall et al., 1998）。

地球地幔中的亲铁元素异常问题，可根据岩浆洋假设得以解决。近期实验认为金属/硅酸盐化学平衡条件为约28 GPa、2200 K，可通过带岩浆洋的地核形成模型来解释（Li and Agee, 1996; Righter et al., 1997; Righter and Drake, 1997）；但这种高压条件下的物态还不明确。

流体力学提供了类地行星岩浆洋结晶作用的其它制约（Tonks and Melosh, 1990; Davies, 1990; Miller et al., 1991a,b; Abe, 1993, 1995, 1997; Solomatov and Stevenson, 1993a,b,c）。这说明低粘度、活跃对流的岩浆洋比固体地幔更像大气圈，甚至其温度分布也类似于湿大气圈的冷凝作用和蒸发作用（相当于结晶作用和熔融作用）。

非分馏（或平衡）结晶作用对地球化学特征有重要意义，而一般也可假设分馏结晶作用情形。Tonks & Melosh（1990）认为对流作用可防止结晶沉淀，而熔融作用不一定要发生分异作用。Solomatov & Stevenson（1993a）和Solomatov et al.（1993）进一步研究指出：岩浆中的悬浮作用和分异作用的物理学更为复杂。尽管晶体析出可停止，但不如想象那样容易。许多简单物理条件下的理论，因没考虑岩浆洋这种极端条件及其不同的物理过程，故不能用于岩浆洋情形。

地球岩浆洋对流分析建立在热对流经典模型基础之上，仅适合于较弱对流；但岩浆洋可在不同对流体制中发生猛烈湍流（Spera, 1992）。晶体成核作用和生长动力学很少得到理解，它控制晶粒尺寸，因此控制了分异速度。

本文的目的是回顾类地行星岩浆洋中的物理作用，并提出符合地球化学制约的熔融地球结晶作用模式。

来源：V. S. Solomatov,Fluid Dynamics of a Terrestrial Magma Ocean. Origin of the Earth and Moon. 323～335.

译者：郑中(Zheng Zhong)