近日，学院2016届校友袁迁以第一作者在《Nature》发表封面论文。该研究由加州理工大学、亚利桑那州立大学和中科院上海天文等机构的学者组成的跨学科国际研究团队合作，研究指出地幔深部巨大的异常体可能是45亿年月球形成大碰撞的遗迹。此项研究为理解地球内部结构、长期演化、地球甚至内太阳系的形成过程提供了重要的新思想。相关研究结果以“Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies”为题于2023年11月2日发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。
《自然》封面文章
月亮一直是人们无限遐想的源泉。它既是清冷的白玉盘，又是思念的信使。而一直困扰着几代科学家的问题是：月球的形成过程究竟是怎样的呢？
目前广为接受的月球起源理论为48多年前提出的“大碰撞”假说。该理论认为在太阳系形成早期，曾有一颗火星大小的行星胚胎(被称为“忒伊亚”)高速(约10 km/s)撞击了原始地球，溅射出了大量碎片，而月球便从碎片盘中聚合生长而成。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，极大地挑战了这一月球形成的标准理论；而新的高能/高角动量碰撞模型虽然可以解释地月同位素的相似性，却将不可避免地导致地球地幔完全熔融并混合均匀。然而，这种均一地幔的推论与众多地幔地球化学以及地球物理观测证据直接矛盾。所以，如何调和大碰撞理论、地月同位素一致性， 以及地球地幔不均一性问题是一个跨学科、跨领域、跨时空的重大科学问题。
在该Nature文章“Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies”中， 加州理工大学袁迁博士及合作者首次提出地球地幔底部的两个巨大的异常区域可能来源于撞击地球的“忒伊亚”行星的地幔物质。这两个异常区早在30年前就被地震学家发现，一个在在非洲板块下方，另一个在太平洋板块下方。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。他们通过开展高精度的地月撞击模拟发现与LLVPs质量相当的（约0.02倍地球质量）忒伊亚地幔物质会在大撞击过程中直接进入到地球下层地幔。合作者邓洪平进一步邀请了计算天体物理专家Jacob Kegerreis用传统的SPH（光滑粒子流体动力学）方法证实了这一结论。他们还演算出这些Theia地幔物质与月球岩石一样富集铁元素，所以比周围地球物质密度更高。袁迁博士通过高分辨率地球动力学模拟发现这些较重的忒伊亚地幔物质会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，历经45亿年的地质演化仍稳定存在(Yuan et al. 2023， Nature)。
在45亿年前月球形成的大碰撞过程中：撞击体忒伊亚（Theia）的部分地幔
可能演变成现今地幔深部的大型低速体（LLVPs）。
图源：Hernán Cañellas
事实上，这些深部的异质体并非永远无法企及，地幔对流过程伴随的地幔柱——一股上升的圆柱状的热粘性流——将少量下地幔的物质带到地表。地球物理显示夏威夷和冰岛有可能正是地幔柱活动的结果，而且它们的地幔柱都可能来源于这两个LLVPs。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比月球还要古老的原始地幔物质，间接支持了他们的物理模型。这些残存地幔底部的异质体是我们打开时空大门，了解地球最初状态的钥匙。
这研究将地球深部结构与45亿年前月球形成的大碰撞事件紧密联系起来，为地球形成的终极篇章提供了关键性支持。这项研究的成功要归功于地球物理学家、地球化学家和天体物理学家的紧密协作，将地球的演化纳入内太阳系类地行星形成的整体框架，甚至启发了我们对系外地球形成和宜居性探索的深刻思考。
袁迁，男，2007年考入我校best365网页版登录资源勘查工程（基地班），2011年经免试推荐继续在best365网页版登录直接攻读博士学位，2016年博士毕业后到美国亚利桑那州立大学继续学习，2022年获得博士学位，目前为美国加州理工学院O.K. Earl奖学金博士后。他主要从事大尺度计算地球动力学和地月系统早期地质演化方面的研究，主要研究方向包括：地幔地球动力学及热化学演化，大型横波低速带(LLSVPs)的结构、成因与月球大碰撞的关联 ，不同地幔对流模型的耦合及其表层响应，基性-超基性岩石的成岩及成矿机理。第一作者研究成果发表于Nature (封面)， Nature Geoscience， Geophysical Research Letters， Journal of Petrology， Gondwana Research，科学通报等学术期刊。相关研究成果被Nature、Science单独撰文评述，并被新浪、腾讯、BBC、CNN、纽约时报、路透社、泰晤士报、美国国家地理等媒体报道。多次担任美国地球物理年会(AGU)以及月球与行星科学会议(LPSC)的召集人和主持人。
相关论文链接：
Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies Qian Yuan et al. 2023 Nature
