模拟地球45亿年的热演化过程：来自核幔耦合、岩石圈粘度、粒径依赖性流变学以及地表边界条件的启示

《Geoscience Frontiers》：Modelling 4.5 billion years of Earth’s thermal evolution: Insights from core-mantle coupling, lithospheric viscosity, grain-size-dependent rheology, and surface boundary conditions

本研究通过三维数值模拟探讨地球4.5亿年演化中地幔与地核的热耦合机制，重点分析不同岩石圈粘度、扩散蠕变激活能比及表面边界条件对地幔冷却、粘度分布及内核增长的影响。结果表明，岩石圈粘度约为1022 Pa·s时地幔冷却模式与地质记录一致，表面板状边界条件（PL）能同时匹配现代粘度分布、热流及内核半径观测。激活能比在 upper mantle和D''层较高（1.3），lower mantle较低（0.8），以平衡不同深度粘度变化。初始地核-地幔边界温度5600 K时，内核形成时间约为1.5-2.0 Ga，与独立估计吻合。研究强调岩石圈粘度、扩散蠕变与表面边界条件的协同作用对地球热-动力演化至关重要。

　　地球的演化历程是一个复杂且长期的过程，涉及地核与地幔之间的热力学耦合以及地球内部动态变化。为了更深入地理解这一演化过程，科学家们采用了一种基于三维数值模拟的方法，对地幔冷却模式、地幔粘性结构以及内核增长等关键特征进行研究。这些模拟基于一个压缩、自重的球壳模型，采用伪谱方法求解质量、动量和能量守恒方程。该模型引入了时间依赖性的地核-地幔耦合机制、位错蠕变和扩散蠕变的粘性机制、内部放射性加热以及热传导等物理过程，从而实现对地球热演化过程的系统性研究。

地幔的冷却模式受到地壳粘性、扩散粘性、机械边界条件以及初始地核-地幔边界和内核液相线温度等参数的显著影响。研究发现，地壳粘性在地幔冷却过程中起着核心作用，尤其是在地壳粘性接近 $10^{22} \, \text{Pa·s}$ 的情况下，其作用尤为突出。这种粘性变化导致了地幔冷却模式的非线性反馈，从而在演化初期引发热反弹，使地幔从净升温转向长期冷却。然而，仅靠地壳粘性无法完全解释当前的热流、内核半径以及深度相关的粘性结构。研究还表明，调整扩散粘性中晶粒生长控制的激活焓比可以修改地幔的径向粘性结构，同时保持整体的冷却模式不变。此外，允许地壳与地幔之间粘性耦合的表面边界条件，特别是我们提出的板状（PL）模型，能够更准确地预测地幔冷却速率和动态演化，同时促进地表运动与内部对流之间的更现实的耦合。

PL模型在深度上展示了与独立估计的当前地幔粘性剖面相似的特征，包括地壳-软流圈梯度和660公里不连续面处的粘性跳跃。这种模型还表现出持久的大尺度横向温度异常，这与之前的数亿年对流研究结果一致，并展示了板状地表耦合如何促进和维持半球尺度的异质性。研究进一步指出，初始地核-地幔边界温度和内核液相线温度对内核生长速率有显著影响。为了隔离地核初始热状态的影响，研究采用了一种简化的初始化方法，将液相线温度设定为地核-地幔边界（CMB）温度的初始值。这一初始化条件在研究中被设定为5600 K，优化了对当前内核半径的预测，并建议内核形成始于约2.0至1.5十亿年前，与之前的独立估计相吻合。

研究强调，为了建立一个稳健的地球地核-地幔热力学和动力学历史模型，需要对地壳粘性和晶粒尺寸敏感的地幔粘性、地表边界动力学以及初始地核-液相线温度进行细致的校准。所有模型预测均以观测数据为依据，并经过广泛的数据约束评估。这些发现为进一步约束板块构造起始时间以及地幔与地核的耦合演化提供了框架，同时能够系统评估系统参数、初始和地表边界条件及其在整个地球历史中的相互作用。

在模型的构建中，研究采用了一种数值方法，对地幔对流进行了详细的模拟。这种方法通过伪谱方法求解质量、动量和能量守恒方程，适用于压缩、自重的球壳结构。研究中还引入了时间依赖性的计算，包括有效粘性的演化、指数衰减的内部放射性加热、温度依赖的热传导以及耦合的计算，其中地核边界温度和内核半径共同演化。此外，研究对地壳粘性、扩散粘性、初始温度条件以及机械边界条件等参数进行了系统测试，以评估其对地幔热演化的影响。

研究还探讨了地幔粘性如何受到矿物晶粒尺寸、应力和温度的影响。通过对不同粘性机制的测试，研究展示了如何在模型中引入晶粒尺寸的演化，以更准确地模拟地幔粘性。通过调整晶粒生长与扩散蠕变的激活焓比，研究还发现，这些比值的变化能够显著影响地幔的粘性结构和热演化。例如，在上地幔和下地幔中采用不同的激活焓比，可以产生不同的粘性响应，从而影响地幔对流和热流。

地表边界条件在控制地幔对流和热流方面也起着关键作用。研究测试了三种常见的地表边界条件：无滑移（NS）、自由滑移（FS）和板状（PL）。NS边界条件会抑制地表的横向运动，导致热流减少；FS边界条件则允许自由的横向运动，促进更高效的热流。PL边界条件则介于两者之间，能够更现实地模拟地表运动与内部对流的耦合，使得地表速度从对流动力学中自然产生，而非人为设定。这种边界条件还能够更准确地再现当前的地幔粘性剖面，并且在模拟中产生了与观测数据一致的内核半径。

研究还指出，初始条件对模型预测结果有重要影响。通过测试不同的初始地核-地幔边界温度和内核液相线温度，研究发现，将初始温度设定为5600 K可以优化模型对当前内核半径的预测。此外，研究还展示了如何通过调整粘性参数来模拟不同阶段的地幔演化，包括初始粘性结构的构建和粘性随时间的变化。这些调整不仅考虑了地壳和地幔的粘性变化，还考虑了晶粒尺寸和温度对粘性的影响。

地幔的热演化涉及多种因素，包括地核-地幔热耦合、内部放射性加热、热传导以及地表边界条件。研究发现，地幔对流是地球整体冷却的重要机制，影响其能量预算。该过程包括地幔的长期冷却、内部放射性加热以及地核冷却释放的热流，这些因素相互关联，共同决定了地球的热演化。然而，当前这些贡献的值仍然存在高度不确定性，因此需要通过数值模拟来约束这些未知数。

研究还探讨了地幔粘性对地球热演化的影响。通过测试不同的地幔粘性参数，研究发现，地幔粘性在控制地幔对流和热流方面起着关键作用。特别是在地壳和上地幔中，粘性变化对地表运动和地幔对流模式有显著影响。此外，地幔粘性还影响了内核的形成和增长。通过调整地幔粘性参数，研究能够更准确地模拟当前的地幔粘性剖面，并与观测数据进行比较。

总的来说，这项研究为理解地球的热演化提供了重要的框架，并展示了如何通过数值模拟来研究地幔对流、地壳粘性以及地核-地幔热耦合等关键过程。研究还强调了对地表边界条件和初始热状态进行细致校准的重要性，以更准确地预测地球的热演化历史。这些发现不仅有助于理解地球的内部动力学，还为未来的研究提供了基础，特别是在进一步探索地球热演化模型和地表边界条件对地幔和地核演化的影响方面。