大火炼成陆：900°C高温如何造就地球稳固的大陆

在《自然·地球科学》发表的一项新研究中，研究团队发现，形成持久的大陆地壳需要地球下部地壳达到极端温度——超过900摄氏度。这种强烈的条件使得铀、钍等放射性元素能够向上移动。这些元素衰变时会产生热量，而它们从地壳深处迁移到上层时，会带走热量。这一过程帮助下部地壳冷却、固化，并最终使其强度增加。

研究人员表示，这项发现的意义不仅限于理解地球地质学。它们还能助力现代寻找珍贵的关键矿物——这些矿物对智能手机、电动汽车和可再生能源系统等技术至关重要——同时也能指导在其他地方寻找潜在宜居行星。稳定地球地壳的相同过程也重新分布了锂、锡、钨等稀土元素，为如今寻找这些矿物的位置提供了新线索。类似的热驱动机制可能在其他岩石行星上发生，为行星科学家识别能够支持生命的行星提供了更多迹象。

宾夕法尼亚州立大学地球科学副教授、该论文的主要作者安德鲁·斯迈表示：“稳定的大陆是宜居性的前提，但为了获得这种稳定性，它们必须冷却下来。要冷却，就必须将所有这些产热元素——铀、钍和钾——移向地表，因为如果这些元素留在深处，就会产生热量并熔化地壳。”

斯迈解释说，如今的地球大陆地壳大约在30亿年前开始形成。在此之前，地球的地壳截然不同——缺乏现代大陆富含硅的成分。科学家们长期以来怀疑，古老地壳的熔化在形成稳定大陆板块中发挥了重要作用，但这项研究表明，这一过程所需的温度比之前认为的要高得多。斯迈说：“我们基本上找到了形成大陆的新‘配方’：它们需要比之前认为的热得多，大约热200度左右。”

他将这一过程比作锻造钢铁。斯迈说：“金属被加热到刚好足够软，以便能用锤击进行机械塑形。这种在极端温度下使金属变形的过程会重新排列金属结构并去除杂质——这两者都能强化金属，最终形成锻造钢所特有的材料韧性。同样，在造山带形成过程中施加的构造力锻造了大陆。我们的研究表明，这种地壳的锻造需要一个能达到超高温度的‘熔炉’。”

为得出结论，研究人员分析了来自欧洲阿尔卑斯山和美国西南部的岩石样本，以及以往科学研究的数据。他们检查了数百个变质沉积岩和变质火成岩样本的化学信息（这些岩石构成了下部地壳的大部分），并根据它们的峰值变质温度（岩石在大部分保持固态但经历物理和化学变化时达到的最高温度）对其进行分类。

该团队比较了在高温（HT）和超高温（UHT）条件下形成的岩石。斯迈和他的合著者、哥伦比亚大学地球与环境科学教授彼得·凯勒曼发现，在900°C以上温度下熔化的岩石，其铀和钍含量始终远低于在较低温度下形成的岩石。“在来自这么多不同地方的岩石中看到一致的信号是罕见的，”他说，“这是那种‘顿悟时刻’，你会想‘大自然在这里想告诉我们一些事情’。”

他解释说，大多数岩石类型在温度超过650°C（略高于沸水温度的六倍）时开始熔化。通常，地壳越深，温度每公里大约增加20°C。由于大多数稳定大陆板块的底部厚度约为30至40公里，900°C的温度并不常见，这促使他们重新思考温度结构。

斯迈解释说，在地球历史早期，构成地壳的放射性元素（铀、钍和钾）产生的热量约为今天的两倍。“当时系统中有更多可用热量，”他说，“如今，我们预计不会产生那么多稳定的地壳，因为用于‘锻造’地壳的热量减少了。”

他补充说，了解这些超高温反应如何使地壳中的元素迁移，对于理解关键矿物的分布和富集具有更广泛的意义。关键矿物是一组备受追捧的金属，其开采和定位一直具有挑战性。如果科学家能理解最初使这些有价值元素重新分布的反应，理论上他们就能更好地找到如今这些材料的新矿床。“如果你使承载铀、钍和钾的矿物不稳定，你也会释放出大量稀土元素，”他说。

这项研究由美国国家科学基金会资助。