近日，由加州理工学院、亚利桑那州立大学和中国科学院上海天文台等机构的学者组成的跨学科国际研究团队，通过计算流体力学模拟结合同位素地球化学证据，发现地球内部深处的巨大异常体可能是45亿年前月球形成大碰撞过程的遗迹。这一研究结果为理解地球内部结构与地球的长期演化，乃至内太阳系的形成过程提供了重要的新思想。相关研究结果于2023年11月2日发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上，并入选当期封面文章。
月球是如何形成的？——这是萦绕在几代科学家心中的困惑。目前主流理论认为：原始地球（Gaia）生长末期（约45亿年前）曾与一颗火星大小的原行星（Theia）发生大碰撞，而月球就是从碰撞所产生的碎片盘中聚合生长而成。数值模拟显示，月球可能主要继承了来自Theia的物质，而原始地球（Gaia）由于巨大的体量只被Theia带来的物质轻度混染。碰撞前，原始地球（Gaia）和原行星（Theia）的形成相对独立，它们的成分也应有所不同，从而导致形成的月球（Theia成分主导）和地球（Gaia成分主导）拥有不同的物质成分。然而，高精度的同位素测量显示地球和月球的成分极其相似，极大地挑战了这种被视为主流的月球形成的标准理论。虽然后续多个改进的大碰撞模型被相继提出，但均面临其他方面的挑战。
为进一步完善月球形成理论，中国科学院上海天文台的邓洪平副研究员自2017年起，开始深入研究月球形成大碰撞过程，重点开发了新的无格点计算流体力学方法（Meshlesh Finite Mass，MFM），其优势在于可以更加准确地追踪上述大碰撞中的湍流和物质混合。利用此新方法开展大量月球形成大碰撞的模拟后，邓洪平发现，碰撞后的早期地球总是呈现出地幔分层结构：上、下地幔拥有不同的成分和物态，其中上半地幔为岩浆洋，由Gaia和Theia充分混合而成，而下半地幔则基本为固态并保留了Gaia的物质成分。之前的研究过度聚焦于碎片盘（月球的前身）的结构，反而忽视了大碰撞对早期地球的影响。与苏黎世联邦理工的地球物理学家讨论后，研究团队意识到这一地幔分层结构可能残存至今，对应目前地幔中部（地表下1000 km左右深处）的全球性地震波反射体（Mid-mantle Seismic Reflectors），而地球的整个下地幔或许仍由大碰撞前Gaia的物质主导，不同于上地幔的元素组成，下地幔中硅元素的含量更高[1]。邓洪平指出：“我们的想法与大碰撞导致早期地球均一化的传统观念背道而驰。月球形成大碰撞反而是原始地幔不均一性的起源，并决定了地球45亿年漫长地质演化的起点”。
另一方面，地球科学家发现地幔底部存在两个异常区域（分别在非洲板块和太平洋板块下方），当地震波穿过它们时，地震波的波速明显降低。因此这两块在地幔底部绵延几千公里的异常体被称为大型低速体（Large Low Velocity Provinces, LLVPs）。LLVPs对地幔的演化、超级大陆的分离与聚合、地球的板块构造等均有重大影响，然而它们的起源仍然成谜。加州理工学院袁迁博士与合作者提出LLVPs可由进入Gaia下地幔的少量Theia物质演化而来，并邀请邓洪平加入研究团队探索大碰撞后地球深部Theia物质的分布与状态。
通过深入分析之前的大碰撞模拟、开展更高精度的新模拟，研究团队发现与LLVPs质量相当的（约0.02倍地球质量）Theia地幔物质会进入到Gaia下层地幔。邓洪平进一步邀请了计算天体物理专家Jacob Kegerreis用传统的光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法证实了这一结论。研究团队还演算出这些Theia地幔物质与月球岩石一样富集铁元素，所以比周围Gaia物质密度更高，因此快速下沉至地幔底部，并在地幔的长期对流作用下形成两块显著的LLVPs区域[2]，历经45亿年的地质演化仍稳定存在（图1）。
图1，现今地幔深部的大型低速体（LLVPs）可能为忒伊亚（Theia）地幔的残骸。图片来源：邓洪平、杭州思斐迩科技有限公司
地幔深部的异质体（heterogeneity），无论是中部的反射体还是底部的大型低速体，都预示着地球内部远非均匀混合的“无趣”系统。事实上，少量的深部异质体可以被地幔柱（地幔对流造成的圆柱状的上升热流）带到地表：夏威夷和冰岛有可能正是地幔柱活动的结果，而且它们仍有活跃的火山活动。通过研究冰岛岩浆岩样品中稀有气体的同位素比例，地球化学家发现这些样品包含异于普通地表物质的成分，代表了地幔深处年龄超过45亿年的异质体。这些残存的异质体是我们打开时空大门、了解地球最初状态的“钥匙”。
袁迁表示，这些研究建立了地球深部结构与地球早期形成的终章（即45亿年前月球形成大碰撞）之间的联系。“通过对更丰富的岩石样品的精确分析，结合更完善的大碰撞模型、地球演化模型，我们便可推断出原始地球Gaia和Theia的物质成分、运行轨道，从而限制整个内太阳系的形成历史。”
邓洪平展望道：“得益于地球物理学家、地球化学家和天体物理学家的通力合作，我们可以将地月系统的形成和演化融入到整个内太阳系类地行星形成的框架中，甚至为理解系外地球的形成和宜居性提供启发。”
参考文献：
[1] Primordial Earth Mantle Heterogeneity Caused by the Moon-forming Giant Impact? Hongping Deng et al. 2019 ApJ 887 211
[2] Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies, Qian Yuan et al. 2023 Nature
科学联系人：
邓洪平，中国科学院上海天文台，hpdeng353@shao.ac.cn
袁迁，加州理工大学，qyuan@caltech.edu
