章清文 劉耘,2

1. 中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所, 礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 5500812. 中國(guó)科學(xué)院比較行星學(xué)卓越創(chuàng)新中心，合肥 2300261.

地球及類(lèi)地天體(包括類(lèi)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(yùn)動(dòng)方式，決定了它們向外散熱的方式和快慢。在地球和類(lèi)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(yīng)的生熱量易于估算(如根據(jù)衰變定律推算衰變熱)，但對(duì)其當(dāng)時(shí)的構(gòu)造體制及其散熱方式和效率知之甚少。因此，類(lèi)地天體演化的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題在于其早期的構(gòu)造體制及其演變規(guī)律是什么。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)此的認(rèn)識(shí)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(lèi)主要的構(gòu)造體制。在停滯蓋層體制下，類(lèi)地天體的巖石圈是一個(gè)獨(dú)立于地幔對(duì)流的剛性整體，內(nèi)部熱量依賴巖石圈的熱傳導(dǎo)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(duì)流(主要通過(guò)板塊的形成、俯沖過(guò)程)引發(fā)的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱(據(jù)估計(jì)約占當(dāng)前地球總散熱量的2/3) (Davies, 2011; Korenaga, 2013)。不過(guò)，二者不能簡(jiǎn)單套用于所有類(lèi)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(dāng)類(lèi)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(qiáng)的溫度依賴性，高溫會(huì)導(dǎo)致地幔對(duì)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(xué)記錄反映的地幔溫度演化趨勢(shì)不符(Davies, 1980; Herzbergetal., 2010; Korenaga, 2013)。此外，早期地球和其他類(lèi)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(rèn)識(shí)類(lèi)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(hào)”拍攝；(b)南極附近地表的影像圖，由“旅行者一號(hào)”拍攝，地貌描述據(jù) Davies (2007c). 圖像來(lái)源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (編號(hào)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(duì)類(lèi)地天體演化的突破性認(rèn)識(shí)來(lái)自太陽(yáng)系太空探索和相關(guān)比較行星學(xué)研究成果的啟示。自20世紀(jì)50年代美國(guó)和前蘇聯(lián)兩國(guó)間展開(kāi)太空競(jìng)賽以來(lái)，人類(lèi)不遺余力地開(kāi)展太空探測(cè)，包括美國(guó)對(duì)木星體系開(kāi)展的多次探測(cè)。其中，“旅行者號(hào)”和“伽利略號(hào)”探測(cè)項(xiàng)目大獲成功，先后證實(shí)并長(zhǎng)期觀測(cè)了木衛(wèi)一的火山活動(dòng)，它們與后續(xù)的 “卡西尼號(hào)”、“新視野號(hào)”和“朱諾號(hào)”等探測(cè)器一起獲取了大量極具科學(xué)價(jià)值的數(shù)據(jù)，相關(guān)研究成果刷新了人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)系類(lèi)地天體演化的眾多固有認(rèn)識(shí)(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(yáng)系內(nèi)第四大衛(wèi)星(圖1)。探測(cè)資料表明其表面存在十分活躍的火山活動(dòng)，甚至存在超基性巖漿活動(dòng)的跡象(McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000)，其地幔因強(qiáng)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(yáng)系內(nèi)各類(lèi)地天體各自現(xiàn)有的地質(zhì)記錄來(lái)看，木衛(wèi)一與冥古宙-太古宙時(shí)期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等類(lèi)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(guó), 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(rèn)為類(lèi)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(huì)發(fā)生大規(guī)模熔融并形成巖漿洋(Stevenson, 2008; Elkins-Tanton, 2012)，盡管該過(guò)程僅限于吸積階段，卻控制了類(lèi)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(jìn)。木衛(wèi)一為人們展示了在強(qiáng)烈內(nèi)生熱作用下，其地幔可發(fā)生大規(guī)模熔融并導(dǎo)致極其活躍的火山作用和由此引發(fā)的劇烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。由于木衛(wèi)一內(nèi)部的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)應(yīng)與冥古宙-太古宙地球類(lèi)似，是探究早期地球乃至所有太陽(yáng)系類(lèi)地天體的早期動(dòng)力學(xué)異常難得的樣本。

來(lái)自木衛(wèi)一的眾多觀察事實(shí)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(lái)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(lái)人類(lèi)對(duì)木衛(wèi)一的火山作用、構(gòu)造體制和動(dòng)力學(xué)演化的主要發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，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(lèi)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(cè)結(jié)果

1.1 火山作用

木衛(wèi)一和地球是太陽(yáng)系內(nèi)僅有的兩個(gè)迄今存在火山活動(dòng)的類(lèi)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(yáng)系之最。木衛(wèi)一火山活動(dòng)的最早跡象來(lái)自地基望遠(yuǎn)鏡的光譜和輻射測(cè)量結(jié)果的異常(Morrison and Cruikshank, 1973; Wittebornetal., 1979)。隨后，“旅行者一號(hào)”和“旅行者二號(hào)”探測(cè)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(shí)其火山活動(dòng)存在且規(guī)模巨大(Morabitoetal., 1979; Strometal., 1979)。由于木衛(wèi)一的獨(dú)特性，后續(xù)對(duì)其開(kāi)展了長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究，手段包括空間探測(cè)(Strometal., 1979; McEwen and Soderblom, 1983; Carretal., 1998; Spenceretal., 2000b; Keszthelyietal., 2001; Geissleretal., 2004; Spenceretal., 2007)和天基/地基望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)(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(gè)火山成因的熱異常點(diǎn)(包括160多座活火山)且?guī)缀鯖](méi)有隕石坑(圖1、圖2)，反映其火山活動(dòng)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(lèi)(Williams and Howell, 2007)：(1)火山口內(nèi)型(intra-paterae type)：這類(lèi)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(duì)外散熱途徑(Radebaughetal., 2001; Lopes and Spencer, 2007; Veederetal., 2012)；(2)溢流型(flow-donimated type)：以相對(duì)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(guò)6700km2，流動(dòng)距離可超達(dá)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(shí)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(chǎng)較弱、大氣層極其稀薄等因素影響，這類(lèi)噴發(fā)往往形成高達(dá)500km，噴射速度達(dá)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(yáng)系已知最為壯觀的火山活動(dòng)。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明木衛(wèi)一的火山噴發(fā)活動(dòng)是動(dòng)態(tài)變化的。例如，Tvashtar火山口在不同時(shí)期內(nèi)可由火山口內(nèi)型、溢流型或爆發(fā)型噴發(fā)主導(dǎo)(Spenceretal., 2007)，而Prometheus熔巖流的火山口在其周?chē)练e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(cè)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(duì)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(lái))和硅酸鹽物質(zhì)，沒(méi)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(cè)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(rèn)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(dòng)的次級(jí)產(chǎn)物(Lunine and Stevenson, 1985; Battagliaetal., 2014)。

值得注意的是，“伽利略號(hào)”探測(cè)器于1997年觀測(cè)到了木衛(wèi)一Pillan火山的大規(guī)模噴發(fā)(圖2d, e)，紅外測(cè)溫結(jié)果表明熔巖溫度高達(dá)1870K (～1600℃)，且具有富鎂斜方輝石的光譜特征(Geissleretal., 1999)，推測(cè)噴發(fā)物可能為科馬提質(zhì)(McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; Daviesetal., 2001)。不過(guò)，目前無(wú)法進(jìn)一步證實(shí)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(dòng)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(duì)地基望遠(yuǎn)鏡獲取的木衛(wèi)一整體熱輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行的估算，其地表平均熱流可達(dá)2±1W/m2(Matsonetal., 1981)至2.5W/m2(Veederetal., 1994)，“伽利略號(hào)”的后續(xù)紅外探測(cè)結(jié)果與之接近(2～2.6W/m2)(Spenceretal., 2000a; Rathbunetal., 2004)。如此高的熱流遠(yuǎn)超所有已知其他類(lèi)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(lái)自其密集火山活動(dòng)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(zhǎng)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(yuǎn)離噴發(fā)中心的廣闊低溫區(qū)產(chǎn)生的長(zhǎng)波遠(yuǎn)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(dá)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(dòng)如此高的散熱量是現(xiàn)今月球(通過(guò)其停滯蓋層體制下巖石圈的熱傳導(dǎo))總熱量的210～303倍、地球(主要通過(guò)板塊形成和俯沖過(guò)程中巖石圈、軟流圈的熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)等散熱)總熱量的2.2倍；根據(jù)實(shí)測(cè)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(jìn)一步估算其當(dāng)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(gè)地表的平均覆蓋速率需達(dá)到1.4cm/yr(遠(yuǎn)超“抹平”地表隕石坑所需的0.1cm/y)，對(duì)應(yīng)的火山噴發(fā)速率需達(dá)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(duì)比，據(jù)估計(jì)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(duì)“伽利略號(hào)”獲取的木衛(wèi)一磁感應(yīng)數(shù)據(jù)的反演，木衛(wèi)一可能有一個(gè)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(diǎn)認(rèn)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(yīng)以玄武質(zhì)為主，地幔熔融程度應(yīng)為20%～30% (Keszthelyietal., 2007)或更低(Moore, 2001)。因此，目前認(rèn)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(shí)測(cè)成分，對(duì)其是否存在“巖漿洋”并未達(dá)成共識(shí)。

1.4 造山作用和巖石圈性質(zhì)

木衛(wèi)一獨(dú)特的地貌特征為研究其地殼/巖石圈的地溫特征、流變學(xué)性質(zhì)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(jī)分布于全球范圍，呈不規(guī)則帶狀分布或單獨(dú)高聳于平原(圖3a-c)，平均高度為6km(相對(duì)于平原)。其中，Bo?saule山脈高達(dá)17.5±1.5km (Carretal., 1998; Turtleetal., 2001, 2007)，不僅絕對(duì)高程較大，且相對(duì)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(yīng)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(rèn)為，木衛(wèi)一大小的天體其重力場(chǎng)足夠強(qiáng)，應(yīng)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(dāng)其下伏軟流圈可能因部分熔融導(dǎo)致黏度降低時(shí)。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(huì)使原本高聳的山脈降低高度(Turcotte and Schubert, 2014)。因此，目前認(rèn)為，木衛(wèi)一的巖石圈必須具備足夠的厚度和強(qiáng)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(gè)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(dú)特性，需要結(jié)合其全球構(gòu)造體制來(lái)解釋(詳見(jiàn)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(lái)源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (編號(hào)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(jī)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(jī)制

木衛(wèi)一的內(nèi)部生熱機(jī)制十分獨(dú)特。一般而言，類(lèi)地天體內(nèi)部熱量主要來(lái)自行星增生階段星子/星胚的動(dòng)能和核幔分異過(guò)程中重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的內(nèi)能以及放射性元素的衰變熱，這些過(guò)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(jī)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(dòng)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(gè)木衛(wèi)一上活躍的地質(zhì)活動(dòng)可能隨之停止(參照大小、密度與之接近的月球)。目前認(rèn)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(lái)自木星及其衛(wèi)星對(duì)木衛(wèi)一施加的強(qiáng)烈潮汐作用(Pealeetal., 1979; Segatzetal., 1988; Fischer and Spohn, 1990; Tackley, 2001)。其依據(jù)是：根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)，木衛(wèi)一的火山活動(dòng)周期與繞木軌道偏心率演變周期吻合，且火山活動(dòng)的高峰期對(duì)應(yīng)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(guò)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(gè)半球永遠(yuǎn)朝向木星)，造成強(qiáng)烈的潮汐作用并使其在每個(gè)繞木公轉(zhuǎn)周期(約1.77天)都會(huì)沿自身橢球體長(zhǎng)軸方向頻繁發(fā)生隆起和回落(起伏達(dá)100m)(圖4a)，此時(shí)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(guò)程會(huì)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(guò)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(huì)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(duì)木衛(wèi)一軌道偏心率的影響類(lèi)似于蕩秋千時(shí)，在適合的時(shí)機(jī)定期地推一把秋千能使其長(zhǎng)時(shí)間保持大幅度的擺動(dòng)。

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(lái)自軟流圈的潮汐熱，且軟流圈厚度以50～100km計(jì)(Khuranaetal., 2011)，則軟流圈內(nèi)的生熱率高達(dá)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(yīng)值(0.031μW/m3) 的152倍，同時(shí)也遠(yuǎn)高于地球富集放射性生熱元素的上地殼的相應(yīng)值(1～3μW/m3)(Stüwe, 2007; Furlong and Chapman, 2013)。盡管潮汐生熱總量可以估計(jì)，但潮汐加熱過(guò)程對(duì)地幔物質(zhì)的自身溫度、黏度、應(yīng)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(gè)流變-熱-軌道動(dòng)力學(xué)耦合的復(fù)雜過(guò)程。最早認(rèn)為潮汐熱來(lái)自巖石圈的變形(Pealeetal., 1979)，但這與地表高山的大量分布矛盾(見(jiàn)前文)。后續(xù)改進(jìn)的理論模型提出了潮汐熱形成位置的兩個(gè)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(diǎn)和遠(yuǎn)木點(diǎn)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(yàn)上述潮汐生熱端員模型，目前認(rèn)為軟流圈加熱和地幔深部加熱均有貢獻(xiàn)(Hamiltonetal., 2013; Veederetal., 2015)。不過(guò)，地幔對(duì)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(duì)木衛(wèi)一潮汐生熱作用的確切位置(相當(dāng)于地幔熔融和熔體/巖漿形成的位置)、生熱總量和及其動(dòng)態(tài)演變還缺乏更多觀測(cè)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?dǎo)下，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(jì)算機(jī)散熱用熱管實(shí)物(a)和熱管快速導(dǎo)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(yīng)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(jiǎn)要介紹“熱管”和“熱管效應(yīng)”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(jìn)行高效導(dǎo)熱的元件(圖5b)。以常見(jiàn)的以水為工作介質(zhì)的熱管為例(圖5a)，其有效熱導(dǎo)率達(dá)到100KW/m·K量級(jí)，遠(yuǎn)高于銅、鐵等金屬的熱導(dǎo)率(300K時(shí)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(dǎo)熱性質(zhì)又被稱為“熱超導(dǎo)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(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)熱的現(xiàn)象稱為“熱管效應(yīng)”。

從熱量傳遞和物質(zhì)循環(huán)的角度看，類(lèi)地天體的火山作用存在顯著的熱管效應(yīng)，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(guò)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(guò)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(gè)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(bǔ)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(guò)程中，前者的巖漿遷移過(guò)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(shí)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(gè)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(gè)過(guò)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(guò)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(yuǎn)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(jìn)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(yáng)系其他類(lèi)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(guò)程的傳熱效率遠(yuǎn)高于熱傳導(dǎo)，前者的發(fā)生時(shí)間可能僅為千年尺度(Daviesetal., 2010; Williamsetal., 2011)，而后者所需時(shí)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(yuǎn)高于單純依賴巖石圈熱傳導(dǎo)的停滯蓋層構(gòu)造，也高于依賴巖石圈參與地幔對(duì)流(也包括巖石圈熱傳導(dǎo))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(duì)巖石圈的加熱，使之難以達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)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(yīng)力特征，結(jié)合巖石圈的低地溫、高流變強(qiáng)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?yàn)橹?，決定了軟流圈以上的整個(gè)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(shuō)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(jī)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(gè)地幔內(nèi)部的對(duì)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(yīng))，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(duì)流，而地幔柱的熱傳導(dǎo)主要?jiǎng)t通過(guò)固態(tài)地幔物質(zhì)的對(duì)流將地球深部?jī)?nèi)部的熱量帶到淺部，其作用范圍涉及整個(gè)地幔。

2.2 熱管構(gòu)造體制下造山運(yùn)動(dòng)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(dǎo)的熱管構(gòu)造強(qiáng)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(huì)引發(fā)巖石圈尺度的大規(guī)模垂直物質(zhì)循環(huán)。在此過(guò)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(guò)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(yīng)力(即“沉降應(yīng)力”)，相比之下，據(jù)推測(cè)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(yīng)”(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(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(huì)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?，在熱管構(gòu)造體制下，木衛(wèi)一表面大規(guī)?；鹕阶饔迷斐傻拇瓜蛭镔|(zhì)循環(huán)是其造山作用強(qiáng)烈、山脈廣布的根本原因。

圖7 熱管構(gòu)造與地幔柱的對(duì)比及二者可能的共存方式示意圖 為便于比較二者在促進(jìn)類(lèi)地天體冷卻過(guò)程中導(dǎo)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(chǎng)數(shù)據(jù)反演以及地表成分測(cè)溫，目前推測(cè)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(méi)有探測(cè)到磁場(chǎng)(Kivelsonetal., 2004)，其內(nèi)部磁流體發(fā)電機(jī)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(jiàn)前文)，但也可能含有高分異長(zhǎng)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(diǎn)，木衛(wèi)一可能由類(lèi)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(cè))(Kuskov and Kronrod, 2001)或CII/CM型球粒隕石(依據(jù)其與木衛(wèi)一類(lèi)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(guò)程中，木衛(wèi)一的核幔分異會(huì)在其可能存在的巖漿洋時(shí)期快速完成，使Fe和親Fe元素形成地核，其余元素進(jìn)入地幔(McKinnon, 2007; Stevenson, 2008)。在相對(duì)緩慢的后續(xù)殼幔分異過(guò)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(huì)使其原始地幔物質(zhì)會(huì)進(jìn)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(jìn)入地殼，而難熔的富Al、Mg、Ca、Fe成分(類(lèi)似CAI) 則殘留在地幔內(nèi)，上述殼幔分異過(guò)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(lái)其一直存在現(xiàn)有規(guī)模的火山活動(dòng)，其熱管效應(yīng)散失的熱量足以使整個(gè)木衛(wèi)一全熔40次或部分熔融以400次(以10%的熔融程度計(jì))；如果類(lèi)似的火山活動(dòng)僅持續(xù)木衛(wèi)一1%的地質(zhì)歷史(即數(shù)十個(gè)百萬(wàn)年)，理論上也會(huì)使其分異出約50km厚、以堿性硅酸鹽(如長(zhǎng)石和霞石)等低密度低熔長(zhǎng)英質(zhì)地殼，以及總體成分為純橄巖的地幔(可進(jìn)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(yīng)該經(jīng)歷了極端的殼幔分異，其地殼總體密度應(yīng)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(dòng)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(cè)事實(shí)相悖。這是因?yàn)楝F(xiàn)今規(guī)模的火山活動(dòng)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(dòng)力為巖漿-地殼圍巖之間密度差導(dǎo)致的正浮力，而地幔熔融形成的主要是比高分異長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)，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(wú)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(cè)結(jié)果(尚存爭(zhēng)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(lèi)似地球上存在的長(zhǎng)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(cè)還有待更多證據(jù)支持，尤其是需要對(duì)木衛(wèi)一的地殼/巖石圈和地幔物質(zhì)成分進(jìn)行精確測(cè)定。此外，探討木衛(wèi)一大規(guī)模巖漿活動(dòng)背后的熔體/巖漿形成、遷移過(guò)程及其對(duì)內(nèi)部物質(zhì)分異的影響涉及對(duì)內(nèi)部溫度、組分、流變學(xué)特征等因素之間的協(xié)同演化，后者是一系列強(qiáng)烈的非線性過(guò)程，現(xiàn)有研究已開(kāi)始嘗試對(duì)其進(jìn)行量化(Spenceretal., 2020)，后續(xù)還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

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(gè)步驟的減弱或停止，都會(huì)使熱管構(gòu)造暫?；蛲Ｖ共⑥D(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(jī)制是什么，充足的熱量是木衛(wèi)一所有地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的原始驅(qū)動(dòng)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(lái)維持(Jaupart and Mareschal, 2011)。如果沒(méi)有強(qiáng)烈的潮汐加熱，木衛(wèi)一的內(nèi)部熔融和巖漿過(guò)程將會(huì)停止，并最終可能演變?yōu)榕c月球、水星類(lèi)似的死寂天體(Mooreetal., 2017)。其次，深部形成的熔體/巖漿要能穿過(guò)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(yīng)力狀況以及巖漿上升的驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)弱，后者來(lái)自熔體/巖漿相對(duì)圍巖存在密度差和浮力。類(lèi)地天體(如月球、水星和地球)表面巖漿活動(dòng)具有普遍性(Keszthelyietal., 2006; Wilson, 2009; Melosh, 2011b; Wilson and Keil, 2012)，以現(xiàn)有觀測(cè)來(lái)看，只要深部存在巖漿持續(xù)形成的條件，后續(xù)的巖漿過(guò)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(huì)進(jìn)一步促進(jìn)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(shí)間尺度約數(shù)小時(shí)至數(shù)月，遠(yuǎn)小于巖漿遷移過(guò)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(dá)到的，尤其是當(dāng)大氣層稀薄、高溫噴發(fā)物直接面向太空時(shí)(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(lèi)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(qiáng)的內(nèi)生熱作用以維持上述高溫。后續(xù)還需要進(jìn)一步明確具體的內(nèi)生熱率和地溫閾值。

3 討論

3.1 對(duì)類(lèi)地天體構(gòu)造演化的啟示

除地球、木衛(wèi)一外，太陽(yáng)系中絕大多數(shù)類(lèi)地天體的地質(zhì)活動(dòng)多已停止，但大多保留了較為豐富的構(gòu)造-巖漿活動(dòng)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(shí)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(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)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(wú)獨(dú)有偶，月球也保留了與之類(lèi)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(qiáng)烈的放射生熱作用(如通過(guò)26Al衰變) 下往往發(fā)生過(guò)熔融，形成的熔體受浮力或應(yīng)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(lèi)地天體的早期地質(zhì)記錄現(xiàn)有記錄反映了以下事實(shí)：類(lèi)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(yùn)動(dòng)。這些特征體現(xiàn)了巖漿活動(dòng)對(duì)其早期構(gòu)造演化重要作用，可通過(guò)熱管構(gòu)造來(lái)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(yáng)系類(lèi)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(jìn)一步認(rèn)為，在類(lèi)地天體演化過(guò)程中，熱管構(gòu)造的發(fā)生有一定的必然性。類(lèi)地天體演化進(jìn)程是其散失內(nèi)部熱量的過(guò)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(yīng)當(dāng)時(shí)的地溫和內(nèi)部生熱條件(圖9)。當(dāng)內(nèi)部地溫和內(nèi)生熱率較高時(shí)，類(lèi)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(jī)制(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016)。木衛(wèi)一生動(dòng)地展示了一個(gè)類(lèi)地天體能夠以火山作用主導(dǎo)其地表散熱過(guò)程，對(duì)應(yīng)的熱管構(gòu)造可能是其強(qiáng)內(nèi)生熱條件下眾多可能的構(gòu)造體制中的“最優(yōu)解”。對(duì)大多數(shù)類(lèi)地天體而言，熱管構(gòu)造可能多限于類(lèi)地天體在巖漿洋固化后相對(duì)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(duì)苛刻的條件。由于這樣的高內(nèi)能狀態(tài)不能長(zhǎng)期維持，熱管構(gòu)造如果發(fā)生其持續(xù)時(shí)間相對(duì)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(lèi)地天體中，只有地球長(zhǎng)期存在板塊構(gòu)造，但一般認(rèn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)始(Hawkesworthetal., 2016; 萬(wàn)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(shí)期的地球(Moore and Webb, 2013; Moresi, 2013; Bealletal., 2018; Sternetal., 2018)。這僅是基于比較行星學(xué)的推測(cè)，對(duì)于能否直接套用于地球還有爭(zhēng)議，目前認(rèn)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(rèn)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(guò)程，實(shí)際的火山沉積速率應(yīng)遠(yuǎn)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(yīng)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(fēng)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(lái)源(Mennekenetal., 2007; Nemchinetal., 2008)。上述信息反映了早期地球可能存在強(qiáng)烈的殼幔分異和地殼形成過(guò)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(yùn)動(dòng)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(jìn)其地幔的熔融和分異并形成早期長(zhǎng)英質(zhì)(Mennekenetal., 2007)。此外，Moore and Webb (2013)認(rèn)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(shí)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(dǎo)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(duì)流對(duì)巖石圈產(chǎn)生的拖拽應(yīng)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(duì)流的拖拽加強(qiáng)以及巖石圈局部變薄處應(yīng)力集中，熱管構(gòu)造難以維持并會(huì)被板塊構(gòu)造取代(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016; Bealletal., 2018)。

需要說(shuō)明的是，目前地球最早的地質(zhì)記錄中也反映了當(dāng)時(shí)地球在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、殼幔分異方面與熱管構(gòu)造相悖的三個(gè)關(guān)鍵信息：(1)長(zhǎng)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(guó), 2012; 翟明國(guó), 2019)，這與熱管構(gòu)造傾向于形成較冷巖石圈的預(yù)期不符(圖6b)；(2) 38～25億年之間地幔大量分異出長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lèi)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(lèi)似)，從而抑制熱管構(gòu)造?；谏鲜龇治觯捎跓峁軜?gòu)造物質(zhì)循環(huán)方式使其不利于長(zhǎng)英質(zhì)地殼的大規(guī)模形成，因此至少不應(yīng)發(fā)生于地球大量形成TTG的地史時(shí)期。相反，當(dāng)時(shí)的構(gòu)造體制應(yīng)以允許巖漿作用以侵入為主而非噴發(fā)作用主導(dǎo)(Rozeletal., 2017; Lourencoetal., 2018)。

因此，38～36億年以后的動(dòng)力學(xué)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(shí)間可能短于Moore and Webb (2013)推測(cè)的時(shí)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(zhēng)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(zhǎng)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(zhǎng)英質(zhì)成分在冥古宙就已經(jīng)形成但無(wú)法保留的觀察事實(shí)。其次，長(zhǎng)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(zhǎng)英質(zhì)巖分異路徑的末端產(chǎn)物(Bédard, 2006)，相對(duì)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(jìn)地表?yè)]發(fā)分進(jìn)入其源區(qū)深部促進(jìn)原巖的熔融和分異，因?yàn)閾]發(fā)分是長(zhǎng)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(dāng)前值的4～5倍)，需要熱管構(gòu)造等“更合適”的構(gòu)造體制進(jìn)行高效的散熱，同時(shí)，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(cè)：冥古宙-始太古代時(shí)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(guò)，即使地球存在過(guò)熱管構(gòu)造，其引發(fā)的強(qiáng)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(qiáng)烈的外動(dòng)力地質(zhì)作用(如太陽(yáng)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(zhǎng)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(lái)困難。早期地球是否存在熱管構(gòu)造取決于后續(xù)對(duì)其性質(zhì)、發(fā)生條件及其對(duì)類(lèi)地天體熱演化和物質(zhì)分異的潛在影響等關(guān)鍵問(wèn)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(qiáng)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(qiáng)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(yáng)系內(nèi)獨(dú)一無(wú)二的動(dòng)力學(xué)特征。相對(duì)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(lèi)地天體能以火山作用主導(dǎo)其全球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地表散熱過(guò)程，其熱管構(gòu)造體制與其當(dāng)前較高的地溫和較強(qiáng)的內(nèi)生熱條件相適應(yīng)。在類(lèi)地天體演化的早期，盡管內(nèi)部生熱機(jī)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(qiáng)烈是其共性，它們?cè)谘莼脑缙诳赡芏冀?jīng)歷了類(lèi)似的熱管構(gòu)造階段。

對(duì)地球而言，現(xiàn)有證據(jù)不排除其演化早期經(jīng)歷過(guò)熱管構(gòu)造階段的可能性，后者相對(duì)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(shí)，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(shí)間上限推測(cè)，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(shí)期。由于地球沒(méi)有保留相應(yīng)的早期構(gòu)造活動(dòng)的證據(jù)，木衛(wèi)一是揭開(kāi)地球早期演化的關(guān)鍵“鑰匙”。對(duì)此，亟待以木衛(wèi)一為研究對(duì)象，對(duì)熱管構(gòu)造的性質(zhì)、發(fā)生條件等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)一步開(kāi)展定量研究。

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所朱丹研究員和張明明對(duì)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(duì)本文的初稿提出了寶貴的修改意見(jiàn)和建議，在此深表感謝。