麻省理工学院的地质学家利用洋脊喷出的物质来估算地球内部的温度。
希望这项研究能让科学家更好地理解可能驱动板块构造运动随时间推移而变化速度的各种过程。
如果地球的海洋被完全排干，就会露出一条蜿蜒环绕全球的巨大海底火山链。这个庞大的洋脊系统是地球内部物质翻涌的产物：在那里，高温可以熔化岩石并将其推升穿过地壳，使海底裂开，并在数亿年间重塑地球表面。
如今，麻省理工学院的地质学家分析了数千份沿洋脊喷出的物质样本，并追溯其化学历史，以估算地球内部的温度。
他们的分析显示，地球深处洋脊下方的温度相对一致，约为1,350摄氏度，大约相当于燃气灶蓝色火焰的温度。不过，沿洋脊分布的“热点”可以达到1,600摄氏度，与最热的熔岩相当。
该团队的研究成果发表于《地球物理研究杂志：固体地球》（Journal of Geophysical Research: Solid Earth），提供了洋脊周围地球内部的温度分布图。借助这张图，科学家能更好地理解引发海底火山形成的熔融过程，以及这些过程如何可能随时间推动板块构造运动的速度变化。
“对流和板块构造运动在塑造地球历史方面一直发挥着重要作用，”第一作者、麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）博士后研究员斯蒂芬妮·布朗·克雷因（Stephanie Brown Krein）说，“了解这一整条洋脊链的温度，对于将地球视为一台热力机器加以理解至关重要，也有助于厘清地球与其他行星有何不同，以及地球为何能够维持生命。”
克雷因的合著者包括EAPS研究生扎卡里·莫利托（Zachary Molitor），以及麻省理工学院地质学R.R.施罗克教授（R.R. Schrock Professor of Geology）蒂莫西·格罗夫（Timothy Grove）。
化学历史
地球内部温度在数亿年间塑造地表方面发挥了关键作用。然而，人们一直无法直接测定地表以下数十至数百公里处的这一温度。科学家曾采用间接手段推断上地幔（即地壳正下方的地球圈层）的温度，但迄今为止的估算结果尚无定论，科学家对地表以下温度的变化范围也存在分歧。
在这项新研究中，克雷因及其同事开发了一种名为ReversePetrogen的新算法，旨在追溯岩石的化学历史，以确定其原始元素组成，并判定该岩石最初在地表以下何种温度下熔融。
该算法基于格罗夫实验室多年来开展的实验，这些实验旨在重现并表征地球内部的熔融过程。实验室研究人员对不同成分的岩石加热，使其达到不同温度和压力，以观察其化学演变。通过这些实验，研究团队得以推导出相关方程，并最终形成这一新算法，用以预测岩石的温度、压力与化学成分之间的关系。
克雷因及其同事将这一新算法应用于沿地球洋脊采集的岩石。洋脊是一个由海底火山构成的系统，全长超过70,000公里。洋脊是构造板块因地幔物质喷发而相互分离的区域，而这一过程受下方温度驱动。
“从本质上讲，你可以基于这些洋脊处的温度，建立一个关于整个地球内部温度的模型，”克雷因说，“关键问题在于，数据究竟能告诉我们沿整条洋脊链的地幔温度存在怎样的变化？”
地幔图
该团队分析的数据包括在数十年间、由多次科考航次沿整个洋脊系统长度采集的13,500多份样本。数据集中的每份样本均为喷出的海底玻璃，即在海中喷发、并被周围海水瞬间冷却、保持原始状态的熔岩。
科学家此前已测定了数据集中每种玻璃的化学成分。克雷因及其同事将每份样本的化学成分输入其算法，以确定每种玻璃最初在地幔中熔融时的温度。
通过这种方式，研究团队得以绘制出沿整个洋脊系统长度的地幔温度分布图。从该图可以看出，大部分地幔相对均匀，平均温度约为1,350摄氏度。不过，沿洋脊也存在“热点”，即地幔温度明显更高的区域，约为1,600摄氏度。
“人们通常认为，热点是地幔中温度更高、物质可能熔融更多、并可能上升更快的区域。但我们并不确切知道其原因，也不清楚它们究竟高出多少，或成分在热点中扮演何种角色，”克雷因说，“其中一些热点位于洋脊上。如今，我们或许可以借助这项新技术，从全球范围了解热点的变化情况。这从根本上告诉我们地球当前的温度状况，而我们也能由此思考其随时间的变化。”
克雷因补充道：“理解这些动力学过程，将有助于我们更好地判断地球上大陆是如何生长和演化的，以及俯冲作用和板块构造运动何时开始——而这些对复杂生命而言至关重要。”
本研究部分得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持。
