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大气中微子振荡与岩浆及地幔流体的起源

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岩石熔融形成岩浆通常有3种方式:即加热、减压和挥发分注入。在地球温压梯度环境下,若无外来热量加入,只有通过构造运动来改变温压环境,从而实现岩石熔融。所以一般认为,岩浆只能形成于软流层上涌(减压)的洋中脊和冷板深入高温地层的俯冲带(加热及挥发分注入)。然而,研究表明,地幔本来就存在一些分散的熔融物(包括岩浆和流体),岩浆则是对地幔部分熔融物的抽取;亦即地幔的熔融物早已存在,无需上涌减压和俯冲升温。那么地幔熔融物是怎么形成的呢?比如,软流层部分熔融物是如何产生的?在软流层深度, 温度只有1000℃, 远低于橄榄岩固相线(1300℃),仅靠地温梯度提供热量不足以导致此处部分物质熔融,那么软流层物质又是何如熔融的呢?对于这一问题,至今也没定论。针对上述问题,根据中微子振荡理论,我们研究了大气中微子振荡在地球内部传播的物质效应,建立了中微子与放射性核子之间的作用关系,揭示中微子与放射性核子共振能够增大放射性核子的衰变几率而释放热量,为岩浆及地幔流体起源提供了全新解释。
根据中微子振荡理论,中微子在物质中传播时,由于中微子与物质的中子、质子和电子向前相干散射作用,导致中微子振荡行为显著增强,即一种中微子转换为另一种中微子的几率增大。当满足 (其中为真空中两个质量本征态的质量平方差,为真空中的混合角,为费米常数,是物质中电子的数密度)时,中微子与介质原子将形成共振。共振时,中微子获得最大混合。这一效应称为物质增强的中微子振荡(即Mikhev- Smirnov-Wolfenstein,MSW)。
根据量子力学,放射性核子衰变是一种隧穿效应和量子跃迁,对能量十分敏感,任何微扰都有可能增大其衰变几率。中微子在介质中传播的MSW机制是一种典型物理共振。众所周知,共振是一种受迫振动,存在能量激发,对脆弱系统具有极强的破坏性。放射性核子是不稳定系统,与中微子共振将导致其加速崩溃,增大衰变几率。
大气中微子能量在之间,计算表明,在地球内部传播时,大气中微子能够与地球物质形成MSW共振。该共振必然会导致地球内部放射性核子衰变几率增大,释放更多热量,并可能致部分物质熔融。考虑到大气中微子传播呈扇形向地球深部延伸,亦即其通量向深部越来越小,同时启动振荡需要时间,所以浅层地壳及深部地幔受共振影响较小或不受影响,熔融效应主要发生在软流层及附近的上地幔。
由于地幔中放射性同位素分布不均,共振扰动放射性生热和发生熔融的区域也不均一。最先在放射性元素相对富集的一些微小区域发生熔融,形成浆胞或液滴(流体),进而熔合汇聚成更大的熔融物(包括岩浆和流体)。因此,岩浆和地幔流体均产生于相同机制。当熔体比例达0.02%~0.20%时,熔融物便在差应力作用下,被挤压流向低应力区域,实现熔体与固体分离。软流层是熔融物最多区域,软流层往上,熔融物逐渐减少,至上地幔顶端熔融物尖失。因静岩压力随深度加深而增大,所以地幔熔融物会受浮力作用运移上升。在塑性地幔,熔融物通常以渗透方式上升。抵达地壳时,因地壳较冷且刚性强,难以蠕动,熔融物渗透遇阻,只能沿裂隙或断裂上升运移。
熔融物上升运移的过程也是熔融物一路演化的过程。最初的熔融物温度较高,上升运移时,会熔融、萃取、交代、溶蚀和溶解沿途低熔点矿物及相关元素,随着低温物质的加入和温度下降,也会从熔融物中结晶析出一些与环境温压相适应的矿物,出溶一些液体,形成地幔流体。因此熔融物每上升运移一步,其成分、温压等都会发生变化。通过不断演化,熔融物可能在凝固前完全变成岩浆,也可能在进入地壳时留下的只是残液(地幔流体)。由此可见,岩浆及地幔流体是对地幔容熔组分及挥发分的抽取,同时地幔则出现亏损。(文章来源于:
张国文,张梦珂. 大气中微子振荡与岩浆及地幔流体的起源[A]//中国矿物岩石地球化学学会矿物包裹体专业委员会. 2024年第二十二届全国矿物包裹体及地质流体学术研讨会论文摘要[C], 兰州,2024. 另外:更详细的论文发表在:
Journal of Geoscience and Environment Protection. https://doi.org/10.4236/gep.2024.1212017)


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元宵节快乐


2025-07-17 15:16:48
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