地球內(nèi)部的冷卻速度比之前認(rèn)為的要快。
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科研人員最近發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)部能量的消散速度可能要比人們以前認(rèn)為的快。
與地球的演化相伴隨的是地球的持續(xù)冷卻。45億年前的地球是一個(gè)熾熱的球體，地球表面被熔巖海洋覆蓋。幾十億年過(guò)去后，地球的表面已經(jīng)冷卻，形成了薄脆的地殼。
雖然地球內(nèi)部依然擁有巨大的熱量，地球仍然是一個(gè)活躍的星球，地幔對(duì)流，板塊和火山運(yùn)動(dòng)都在繼續(xù)；但是地球逐漸冷卻的趨勢(shì)沒(méi)有變，只是這種冷卻的速度究竟有多快，由熱驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)還能持續(xù)多久還都是謎。
這些問(wèn)題的答案與地核和地幔交界處的礦物熱傳導(dǎo)性有關(guān)。地核和地幔的交界處，是粘稠的地幔物質(zhì)和熾熱的液態(tài)鐵鎳外地核物質(zhì)直接接觸的地方。在這里，兩個(gè)地層物質(zhì)的熱量梯度極大，因此科學(xué)家認(rèn)為，在那里，熱量可能正在大量流失。
地核和地幔的邊界主要由一種名為布氏巖（bridgmanite）的礦物質(zhì)組成。但是究竟有多少熱量通過(guò)這種礦物質(zhì)傳遞到了地幔卻很難估算，因?yàn)橐鲞@樣的實(shí)驗(yàn)非常困難。
幸運(yùn)的是，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的教授Motohiko Murakami和來(lái)自卡內(nèi)基研究所的研究員研制了一種精巧的測(cè)量系統(tǒng)，有了這種系統(tǒng)，科學(xué)家就能在實(shí)驗(yàn)室里，在與地球內(nèi)部相同的壓力和溫度條件下，測(cè)量布氏巖的熱傳導(dǎo)性。
測(cè)量結(jié)果顯示，布氏巖的熱傳導(dǎo)能力比理論假設(shè)值高出了大約1.5倍。這表明，從地心向地幔輸出的熱量要比人們之前設(shè)想的多。地幔獲得的熱量越多，地幔的對(duì)流活動(dòng)就越強(qiáng)烈。而對(duì)流越強(qiáng)烈，地球內(nèi)部的熱量流失速度就越快。由于板塊活動(dòng)受地幔對(duì)流驅(qū)動(dòng)，板塊活動(dòng)的停止也會(huì)提前發(fā)生。
地幔的快速冷卻，會(huì)改變地核地幔交界處礦物的穩(wěn)定相態(tài)。隨著冷卻的發(fā)生，布氏巖會(huì)轉(zhuǎn)化成后鈣鈦礦（post-perovskite）。而當(dāng)后鈣鈦礦在地核地幔邊界處出現(xiàn)，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，地幔的冷卻速度會(huì)變得更快，因?yàn)楹筲}鈦礦的熱傳導(dǎo)能力比布氏巖更強(qiáng)。
研究結(jié)果表明，地球和其他巖石行星，比如水星和火星一樣，會(huì)以比預(yù)期更快的速度冷卻，以更快的速度變得不活躍。
地球的冷卻或?qū)?dǎo)致地幔的對(duì)流活動(dòng)不再進(jìn)行。但是由于目前科學(xué)家對(duì)地幔對(duì)流的機(jī)制，以及地球內(nèi)部放射性元素衰變產(chǎn)生的熱量對(duì)地幔的動(dòng)力學(xué)影響不甚了解，這種情形究竟會(huì)在多久之后發(fā)生尚不得而知。
參考Radiative thermal conductivity of single-crystal bridgmanite at the core-mantle boundary with implications for thermal evolution of the Earthhttp://dx.doi.org/10.1016/j.epsl.2021.117329
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