章清文 刘耘,2

1. 中国科学院地球化学研究所, 矿床地球化学国家重点实验室，贵阳 5500812. 中国科学院比较行星学卓越创新中心，合肥 2300261.

地球及类地天体(包括类地行星、岩石质卫星和小行星等)的构造体制涉及其岩石圈的性质和运动方式，决定了它们向外散热的方式和快慢。在地球和类地天体演化早期，剧烈的内、外地质作用(如吸积、核幔分异、放射性元素衰变等)使其内部快速积累热量并维持较高的温度，相应的生热量易于估算(如根据衰变定律推算衰变热)，但对其当时的构造体制及其散热方式和效率知之甚少。因此，类地天体演化的一个关键科学问题在于其早期的构造体制及其演变规律是什么。长期以来，人们对此的认识主要限于停滞盖层(如水星、金星、火星和月球等) (Baratouxetal., 2011; Sternetal., 2018; O’Neill and Zhang, 2019)和地球的板块构造两类主要的构造体制。在停滞盖层体制下，类地天体的岩石圈是一个独立于地幔对流的刚性整体，内部热量依赖岩石圈的热传导向外传递。板块构造体制下的地球则以分裂为板块的岩石圈参与地幔对流(主要通过板块的形成、俯冲过程)引发的热对流和热传导进行散热(据估计约占当前地球总散热量的2/3) (Davies, 2011; Korenaga, 2013)。不过，二者不能简单套用于所有类地天体的所有演化阶段：根据现有停滞盖层理论模型，当类地天体处于内部温度较高的演化早期，由于地幔物质的黏度具有较强的温度依赖性，高温会导致地幔对流较快，使其形成厚度较小、地温梯度较高的岩石圈并造成整体性的快速降温(Korenaga, 2016)，这与地球岩石学记录反映的地幔温度演化趋势不符(Davies, 1980; Herzbergetal., 2010; Korenaga, 2013)。此外，早期地球和其他类地天体较高的内部温度也不利于形成能够大规模持续俯冲的大洋岩石圈，从而缺乏产生板块构造的条件(van Hunen and Van Den Berg, 2008; van Hunen and Moyen, 2012; Johnsonetal., 2014; 李三忠等, 2015)。因此，需要重新认识类地天体的早期构造体制。

图1 木卫一的地表影像图 (a) 真彩影像图，由“伽利略号”拍摄；(b)南极附近地表的影像图，由“旅行者一号”拍摄，地貌描述据 Davies (2007c). 图像来源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (编号PIA00328和PIA00327)Fig.1 Images of Io’s surface (a) a true-colour image taken by the Galileo spacecraft; (b) a image of the region near Io’s South Pole photographed by the Voyager 1 spacecraft, with descriptions after Davies (2007c). Source of the images: https://photojournal.jpl.nasa.gov (No. PIA00328 and PIA00327)

对类地天体演化的突破性认识来自太阳系太空探索和相关比较行星学研究成果的启示。自20世纪50年代美国和前苏联两国间展开太空竞赛以来，人类不遗余力地开展太空探测，包括美国对木星体系开展的多次探测。其中，“旅行者号”和“伽利略号”探测项目大获成功，先后证实并长期观测了木卫一的火山活动，它们与后续的 “卡西尼号”、“新视野号”和“朱诺号”等探测器一起获取了大量极具科学价值的数据，相关研究成果刷新了人类对太阳系类地天体演化的众多固有认识(Morabitoetal., 1979; Johnsonetal., 1988; Veederetal., 1994; Spenceretal., 2000b; Kargeletal., 2003; Bland and McKinnon, 2016)。木卫一(Io)是木星的第三大卫星和太阳系内第四大卫星(图1)。探测资料表明其表面存在十分活跃的火山活动，甚至存在超基性岩浆活动的迹象(McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000)，其地幔因强烈的潮汐加热而发生了大规模熔融并可能形成了全球性的浅部“岩浆洋”(Khuranaetal., 2011)。从太阳系内各类地天体各自现有的地质记录来看，木卫一与冥古宙-太古宙时期的地球以及同期的水星、月球和灶神星等类地天体存在一定相似性(Huppertetal., 1984; McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000; Moresi, 2013)。地球上的超基性火山作用仅限于25亿年以前，是其内部高地温环境的特有产物(Ernst, 2009; Gill, 2010; Herzbergetal., 2010; 张旗和翟明国, 2012)，表明早期地球在地温环境方面可能与现今木卫一相似(McEwenetal., 1998; Williamsetal., 2000)。此外，一般认为类地天体只有在与其他星子、星胚间发生的剧烈撞击以及内部发生核幔分异和放射性元素衰变生热等剧烈的内、外地质作用条件下才会发生大规模熔融并形成岩浆洋(Stevenson, 2008; Elkins-Tanton, 2012)，尽管该过程仅限于吸积阶段，却控制了类地天体内部圈层结构的形成，其重要性不言而喻，但由于早期地质记录的缺失使相关研究难以有效推进。木卫一为人们展示了在强烈内生热作用下，其地幔可发生大规模熔融并导致极其活跃的火山作用和由此引发的剧烈构造运动。由于木卫一内部的动力学状态应与冥古宙-太古宙地球类似，是探究早期地球乃至所有太阳系类地天体的早期动力学异常难得的样本。

来自木卫一的众多观察事实如按停滞盖层、板块构造等现有的“常规”构造体制来解释往往自相矛盾、难以共存(Johnsonetal., 1979; McEwenetal., 1997; Carretal., 1998; Schenketal., 2001; Keszthelyietal., 2004)。大规模火山的存在和地表高热流特征反映了木卫一处于一种新构造体制——热管构造(heat-pipe tectonics)下(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016)。这一构造体制很好地解释了木卫一较高的地表热流、活跃的造山作用的成因。本文总结了40多年以来人类对木卫一的火山作用、构造体制和动力学演化的主要发现和认识，探讨了木卫一热管构造的性质、发生条件，讨论了地球和其他类地天体早期产生热管构造的可能性。

1 木卫一的主要观测结果

1.1 火山作用

木卫一和地球是太阳系内仅有的两个迄今存在火山活动的类地天体(土卫二、木卫二、海卫一等的冰火山除外)，前者的火山喷发规模为太阳系之最。木卫一火山活动的最早迹象来自地基望远镜的光谱和辐射测量结果的异常(Morrison and Cruikshank, 1973; Wittebornetal., 1979)。随后，“旅行者一号”和“旅行者二号”探测器于1979年首次近距离拍摄到了木卫一表面火山喷发形成的巨型流束，证实其火山活动存在且规模巨大(Morabitoetal., 1979; Strometal., 1979)。由于木卫一的独特性，后续对其开展了长期的观测和研究，手段包括空间探测(Strometal., 1979; McEwen and Soderblom, 1983; Carretal., 1998; Spenceretal., 2000b; Keszthelyietal., 2001; Geissleretal., 2004; Spenceretal., 2007)和天基/地基望远镜观测(Veederetal., 1994; Marchisetal., 2005; de Pateretal., 2014a; de Kleer and De Pater, 2016)。

结果表明，木卫一表面存在400多个火山成因的热异常点(包括160多座活火山)且几乎没有陨石坑(图1、图2)，反映其火山活动广泛而剧烈，喷发物正快速覆盖并更新地表(Johnsonetal., 1979; Blaneyetal., 1995; Williamsetal., 2011)。大规模的火山喷发可大致分三类(Williams and Howell, 2007)：(1)火山口内型(intra-paterae type)：这类火山作用表现为岩浆在众多大型火山口(平均直径42km、深1～2km)内聚集和喷发(图1b、图2c, f, g, j)(Radebaughetal., 2001; Howelletal., 2014; Ahernetal., 2017), 是木卫一主要的火山喷发形式和对外散热途径(Radebaughetal., 2001; Lopes and Spencer, 2007; Veederetal., 2012)；(2)溢流型(flow-donimated type)：以相对贫挥发分的熔岩持续(每次持续数年)而稳定溢出并大范围覆盖地表为特征，典型的火山为Prometheus火山(图2d, e, h)和Amirani火山(图2i)，其熔岩流覆盖面积可超过6700km2，流动距离可超达300km；(3)爆发型(explosion-dominated type)：以Pillan、Pele、Tvashtar和Surt等火山为代表(图2d, e)，其喷发时岩浆从火山口或裂隙中快速、短暂(仅持续数天至数周)而猛烈地喷发，因受木卫一重力场较弱、大气层极其稀薄等因素影响，这类喷发往往形成高达500km，喷射速度达0.4～1km/s，由S、SO2气体和尘埃组成的大型流束和巨型晕状沉积物(图2b, g)(Strometal., 1981; McEwen and Soderblom, 1983; Spenceretal., 2000b; Kargeletal., 2003; Jessupetal., 2007; Spenceretal., 2007; de Pateretal., 2014b; de Kleer and De Pater, 2016)，可快速改变木卫一表面形态(图2d-g) (Geissleretal., 1999; Keszthelyietal., 2001; Kargeletal., 2003; Geissleretal., 2004)，是太阳系已知最为壮观的火山活动。长期监测表明木卫一的火山喷发活动是动态变化的。例如，Tvashtar火山口在不同时期内可由火山口内型、溢流型或爆发型喷发主导(Spenceretal., 2007)，而Prometheus熔岩流的火山口在其周围沉积了前期爆发式喷发形成的晕状喷发物沉积(图2i)。

图2 木卫一活跃火山作用的观测结果

在火山喷发物成分方面，首先发现木卫一表面不同寻常地覆盖有鲜艳的黄、白、红-棕和黑-灰色物质(图1、图2)，它们分别覆盖了39%、26%、31%和1%的表面积(Geissleretal., 1999)。根据对光谱数据的解译，这些物质是硫(S8)、SO2霜、亚稳态硫(S2、S3和S4，由S8蒸发/升华、冷凝/凝华而来)和硅酸盐物质，没有水存在的迹象(Johnsonetal., 1988; McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; Geissleretal., 2004; Keszthelyietal., 2006)。虽然木卫一表层几乎被硫和硫化物覆盖，但红外测温表明其地表新喷发熔岩的温度整体较高(1200～1400K)，与玄武质熔岩一致(McEwenetal., 1997; Spenceretal., 2007)。因此，目前认为木卫一的地表火山喷发物乃至地壳整体上以镁铁质硅酸盐成分为主，而表层的浅色硫/硫化物火山沉积则是硅酸盐岩浆火山活动的次级产物(Lunine and Stevenson, 1985; Battagliaetal., 2014)。

值得注意的是，“伽利略号”探测器于1997年观测到了木卫一Pillan火山的大规模喷发(图2d, e)，红外测温结果表明熔岩温度高达1870K (～1600℃)，且具有富镁斜方辉石的光谱特征(Geissleretal., 1999)，推测喷发物可能为科马提质(McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; Daviesetal., 2001)。不过，目前无法进一步证实木卫一普遍存在超镁铁质岩浆 (Keszthelyietal., 2007)。

1.2 高热流和火山活动活跃程度估算

木卫一热辐射特征表明其地表平均热流极高。依据对地基望远镜获取的木卫一整体热辐射数据进行的估算，其地表平均热流可达2±1W/m2(Matsonetal., 1981)至2.5W/m2(Veederetal., 1994)，“伽利略号”的后续红外探测结果与之接近(2～2.6W/m2)(Spenceretal., 2000a; Rathbunetal., 2004)。如此高的热流远超所有已知其他类地天体，后者的地表平均热流限于0.01～0.1W/m2(Nimmo and McKenzie, 1998; Furlong and Chapman, 2013; Siegler and Smrekar, 2014)。现已明确，木卫一极高的热流主要来自其密集火山活动喷发物产生的热辐射(图2i, j)(Veederetal., 1994; Blaneyetal., 1995)，包括活跃的火山口、熔岩流等高温区产生的短波长红外辐射(其出露面积仅占总面积的1.2%，但散发了木卫一一半以上的热量，Veederetal., 2012, 2015)，以及远离喷发中心的广阔低温区产生的长波远红外辐射(Spenceretal., 2000a; Rathbunetal., 2004; Veederetal., 2015)。

根据上述热流值可估算出木卫一火山喷发物整体向外辐射的热功率高达1×1014W (100TW，取木卫一2.5W/m2的地表平均热流值乘以其表面积得出)，火山活动如此高的散热量是现今月球(通过其停滞盖层体制下岩石圈的热传导)总热量的210～303倍、地球(主要通过板块形成和俯冲过程中岩石圈、软流圈的热对流和热传导等散热)总热量的2.2倍；根据实测热流推算，现今月球和地球的总散热功率分别为0.34～0.49×1012W(取地表9～13mW/m2的平均热流值)和46.7×1012W(取地表平均热流91.6mW/m2)(Davies and Davies, 2010; Siegler and Smrekar, 2014)。此外，还可以进一步估算其当前木卫一火山作用的整体活跃程度：若以玄武质岩浆为介质，火山喷发物在整个地表的平均覆盖速率需达到1.4cm/yr(远超“抹平”地表陨石坑所需的0.1cm/y)，对应的火山喷发速率需达到500km3/yr以上才能维持木卫一表面2.5W/m2的热流(Johnsonetal., 1979; Blaneyetal., 1995)。作为对比，据估计现今地球总的岩浆喷发速率仅约为4.1km3/yr，而侵入速率仅约为29.5km3/yr (Davies, 2007a)。

1.3 木卫一的浅部“岩浆洋”

木卫一的全球性大规模火山作用和地表高热流要求其内部发生显著的部分熔融，以维持其岩浆/熔体的大规模形成和喷发，以至于其上地幔可能存在全球性的浅部“岩浆洋”(Pealeetal., 1979; Keszthelyietal., 1999)。依据如下：(1)根据对“伽利略号”获取的木卫一磁感应数据的反演，木卫一可能有一个厚度约为50～100km、部分熔融程度(熔体体积百分比)>20%的软流圈(Khuranaetal., 2011)；(2)木卫一可能发育超基性岩浆(McEwenetal., 1997, 1998; Williamsetal., 2000; McEwen, 2002; Kargeletal., 2003)，其形成需要木卫一上地幔处于高温(地幔潜能温度>1600℃)和高程度部分熔融(>50%)状态(Keszthelyietal., 2004; Gill, 2010)。也有观点认为McEwenetal. (1998)高估了1997年Pillan火山熔岩的温度，火山喷发物应以玄武质为主，地幔熔融程度应为20%～30% (Keszthelyietal., 2007)或更低(Moore, 2001)。因此，目前认为木卫一的最上层地幔(软流圈) 发生大范围熔融的可能性较大，但由于缺乏关于火山喷发产物的直接实测成分，对其是否存在“岩浆洋”并未达成共识。

1.4 造山作用和岩石圈性质

木卫一独特的地貌特征为研究其地壳/岩石圈的地温特征、流变学性质和构造运动模式提供了关键线索。除广泛分布有火山沉积平原、高原和火山口外，木卫一的地表还存在约135座构造成因的山峰或山脉(图1)，它们随机分布于全球范围，呈不规则带状分布或单独高耸于平原(图3a-c)，平均高度为6km(相对于平原)。其中，Boösaule山脉高达17.5±1.5km (Carretal., 1998; Turtleetal., 2001, 2007)，不仅绝对高程较大，且相对木卫一的半径而言也较为“突出”。这些山脉与平原多以正断层为界，是岩石圈在挤压应力下发生局部破裂、剪切和抬升造成的(Ahernetal., 2017)(图3d)。

木卫一的上述高地形与其软流圈较高程度的熔融是相互矛盾的。一般认为，木卫一大小的天体其重力场足够强，应能克服自身局部重力不均衡并维持表面流体静力平衡，因而其地表的起伏程度是有限的(Melosh, 2011a)，尤其是当其下伏软流圈可能因部分熔融导致黏度降低时。根据重力均衡原理，如果造山作用形成局部异常厚的岩石圈，且岩石圈直接上覆于较“软”的软流圈之上，那么重力均衡调整会使原本高耸的山脉降低高度(Turcotte and Schubert, 2014)。因此，目前认为，木卫一的岩石圈必须具备足够的厚度和强度，才能允许局部重力不均衡和异常高地形的存在(O’Reilly and Davies, 1981; McEwenetal., 2004; Davies, 2007b; Mooreetal., 2007)。一个形象的比喻是：人虽然不能“站立”在水面上，但可站立在水面顶部的冰层上。木卫一山脉的成因具有独特性，需要结合其全球构造体制来解释(详见后文)。

图3 木卫一的造山作用 (a)-(c)地表山脉的形态，描述据Turtle et al. (2001)；(d)山脉成因示意图，据Ahern et al. (2017)、Turtle et al. (2007)和Bland and McKinnon (2016)的描述绘制. 图像a和c来源：https://photojournal.jpl.nasa.gov (编号PIA03886和PIA02540), 图b据https://www.lpi.usra.edu/science/schenk/RESEARCH/eub-x.jpg修改Fig.3 Mountain-building on Io (a)-(c) mountains on Io, descriptions after Turtle et al. (2001); (d) schematic diagram of mountain building on Io, inspired by Ahern et al. (2017), Turtle et al. (2007) and Bland and McKinnon (2016). Source of the images (a) and (c): https://photojournal.jpl.nasa.gov (No. PIA03886 and PIA02540), (b) is modified after https://www.lpi.usra.edu/science/schenk/RESEARCH/eub-x.jpg

图4 木卫一的潮汐生热机制 (a)木星和木卫一之间的潮汐作用示意图(据Segatz et al., 1988修改)；(b)木卫一、木卫二和木卫三之间的拉普拉斯轨道共振示意图；(c)木卫一潮汐热的理论估算(据Hamilton et al., 2013)Fig.4 Tidal heating in Io’s interior (a) schematic diagram of tidal interaction between Jupiter and its moon Io (modified after Segatz et al., 1988); (b) schematic diagram of Laplace orbital resonances between Io, Europa and Ganymede; (c) theoretical estimation of Io’s internal tidal heating (after Hamilton et al., 2013)

1.5 内部生热机制

木卫一的内部生热机制十分独特。一般而言，类地天体内部热量主要来自行星增生阶段星子/星胚的动能和核幔分异过程中重力势能转化而来的内能以及放射性元素的衰变热，这些过程大多仅限于其形成的早期(Stevenson, 2008; Breuer and Moore, 2015)。鉴于木卫一的增生和核幔分异等早期生热机制早已结束，且内部衰变生热可能已较为微弱，维持其活跃火山活动和深部潜在的大规模熔融需要大量额外热量，这一热量供给一旦大幅减弱或停止，整个木卫一上活跃的地质活动可能随之停止(参照大小、密度与之接近的月球)。目前认为，维持木卫一较高的内部温度和大规模的火山作用所需的热量主要来自木星及其卫星对木卫一施加的强烈潮汐作用(Pealeetal., 1979; Segatzetal., 1988; Fischer and Spohn, 1990; Tackley, 2001)。其依据是：根据长期观测，木卫一的火山活动周期与绕木轨道偏心率演变周期吻合，且火山活动的高峰期对应木卫一绕木轨道偏心率的峰值(de Kleeretal., 2019)。潮汐生热的具体过程为：由于木卫一的绕木轨道为椭圆形且处于潮汐锁定状态(即一个半球永远朝向木星)，造成强烈的潮汐作用并使其在每个绕木公转周期(约1.77天)都会沿自身椭球体长轴方向频繁发生隆起和回落(起伏达100m)(图4a)，此时其深部(如软流圈)物质随之发生周期性的扭曲和内摩擦作用，最终产生大量热量。潮汐生热过程会使木卫一的绕木轨道逐渐变为圆形并使潮汐作用减弱，但由于木卫一、木卫二、木卫三在绕木过程中处于1:2:4(轨道周期比值) 的拉普拉斯共振状态，木卫二、木卫三定期施加的额外引力会使木卫一的绕木轨道保持椭圆形(图4b)。拉普拉斯轨道共振对木卫一轨道偏心率的影响类似于荡秋千时，在适合的时机定期地推一把秋千能使其长时间保持大幅度的摆动。

木卫一内部潮汐作用的生热量十分可观。假如木卫一地表散发的热量全部来自软流圈的潮汐热，且软流圈厚度以50～100km计(Khuranaetal., 2011)，则软流圈内的生热率高达84.2～20.6μW/m3，换算为全地幔平均值则为4.3μW/m3，后者是地球地幔相应值(0.031μW/m3) 的152倍，同时也远高于地球富集放射性生热元素的上地壳的相应值(1～3μW/m3)(Stüwe, 2007; Furlong and Chapman, 2013)。尽管潮汐生热总量可以估计，但潮汐加热过程对地幔物质的自身温度、黏度、应变率以及木星-木卫一距离、绕木轨道偏心率等外界因素十分敏感，是一个流变-热-轨道动力学耦合的复杂过程。最早认为潮汐热来自岩石圈的变形(Pealeetal., 1979)，但这与地表高山的大量分布矛盾(见前文)。后续改进的理论模型提出了潮汐热形成位置的两个端员模型：软流圈和地幔深部(Ross and Schubert, 1985; Tackleyetal., 2001)。前者形成的热量集中形成于近木点和远木点两侧，而后者则集中于两极地区(图4c)。根据木卫一的火山分布和热流分布可检验上述潮汐生热端员模型，目前认为软流圈加热和地幔深部加热均有贡献(Hamiltonetal., 2013; Veederetal., 2015)。不过，地幔对流倾向于消除潮汐热源分布不均造成的热流空间分布异常(Tackleyetal., 2001; Tackley, 2001)。目前对木卫一潮汐生热作用的确切位置(相当于地幔熔融和熔体/岩浆形成的位置)、生热总量和及其动态演变还缺乏更多观测数据的制约(Van Hoolstetal., 2020)。

2 热管构造体制

木卫一的活跃火山作用、高热流、高地表更新速率、高地貌特征和深部地幔高程度熔融等不同寻常的现象，迫切需要不同于停滞盖层构造和板块构造的其他构造体制予以解释。木卫一在大规模火山作用主导下，其散热方式和垂向物质循环方式体现了一种全新的构造体制——热管构造(O’Reilly and Davies, 1981)。

图5 计算机散热用热管实物(a)和热管快速导热原理示意图(b)(据Lee，2010绘制)Fig.5 Photograph of typical heat pipes used on a computer heat sink (a) and schematic diagram of rapid heat transfer of a heat pipe (b) (modified after Lee, 2010)

2.1 热管效应和热管构造

为便于阐述木卫一的构造体制，在此先简要介绍“热管”和“热管效应”的概念。热管是制冷、建筑和航天等领域广泛使用的一种借助封闭腔体内工作介质(如水、氨和甲烷等)的快速、持续的汽化(吸热)-冷凝(放热)和往返循环进行高效导热的元件(图5b)。以常见的以水为工作介质的热管为例(图5a)，其有效热导率达到100KW/m·K量级，远高于铜、铁等金属的热导率(300K时分别为400W/m·K和80W/m·K, Lee, 2010)；若以“热阻”衡量，热管的等效热阻值为仅为同等尺寸铜棒热阻值的1/1500，由于热阻极小，热管的优良导热性质又被称为“热超导性”(陶文铨，2019)。在此将热管这种依赖内部工质的相变和循环实现快速导热的现象称为“热管效应”。

从热量传递和物质循环的角度看，类地天体的火山作用存在显著的热管效应，木卫一尤其如此。木卫一的地表高热流和大规模火山喷发必然要求其软流圈-岩石圈-地表之间发生快速的垂向热量传递和物质循环(图6a)。具体地质过程包括：(1)岩浆的形成、向上迁移和喷发：软流圈地幔物质吸收内部热量后温度升高并发生部分熔融形成熔体，后者与源区分离后经岩浆通道向上迁移并喷发至地表，最终在大气层内(或直接暴露在太空中)充分冷却，这一过程本质上是以岩浆为载体将热量从深部带到地表；(2)喷发物的堆积、沉降和折返：冷却后的火山喷发物快速覆盖于木卫一的整个表面并大量堆积，最终在重力作用下发生沉降并折返至深部，以弥补大量熔体/岩浆析出后在深部岩浆源区留下的空白(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Blaneyetal., 1995; Kankanamge and Moore, 2019)。上述过程中，前者的岩浆迁移过程主要发生在地壳/岩石圈内部各岩浆通道内(其在地表实际出露的总面积仅占木卫一表面积极小的比例)，后者则发生在木卫一除岩浆通道外的整个地表，二者的物质迁移方向相反且总量相等以满足物质守恒定律。整个过程涉及气(挥发分)-液(熔体)-固(岩石)快速相变(硅酸盐的部分熔融-结晶、硫/硫化物的熔融-蒸发/升华-冷凝/凝华)和迁移(通过全球范围内大规模的岩浆上升、喷发和折返)，其总散热速率与火山喷发的总体速率成正比。木卫一正是借助数量众多、但出露面积仅占总地表面积极少比例(远低于1%) 的岩浆通道迁移、喷发了大量岩浆，将内部形成的大部分热量(≥56%)带到地表并散发到外太空(Blaneyetal., 1995; Williamsetal., 2011; Veederetal., 2012)。

在软流圈-岩石圈尺度内，木卫一这种依赖火山作用进行大规模的物质循环并向外高效传递内部热量的构造体制有别于太阳系其他类地天体的现有模式。由于与热管的高效传热原理相同，这一构造体制被称为“热管构造”(heat-pipe tectonics)(O’Reilly and Davies, 1981; Turcotte, 1989; Moore and Webb, 2013; Mooreetal., 2017)。

图6 木卫一的热管构造示意图(a, 据Davies, 2007e; O’Reilly and Davies, 1981绘制)及木卫一上地幔的地温示意图(b, 据O’Reilly and Davies, 1981; Leone et al., 2011修改)Fig.6 Schematic model of Io’s heat-pipe tectonics (a, adapted from Davies, 2007e; O’Reilly and Davies, 1981) and schematic geothermal profiles in Io’s upper mantle (b, modified after O’Reilly and Davies, 1981; Leone et al., 2011)

热管构造具有以下显著特征：(1)在软流圈-岩石圈范围内引发较快物质-能量循环：在木卫一的软流圈-岩石圈尺度内(100～200km)，岩浆的迁移和喷发过程的传热效率远高于热传导，前者的发生时间可能仅为千年尺度(Daviesetal., 2010; Williamsetal., 2011)，而后者所需时间则在100Myr以上(Stüwe, 2007)。木卫一仅依赖火山作用便可完成软流圈-岩石圈-地表之间的内外传热和物质交换，其效率远高于单纯依赖岩石圈热传导的停滞盖层构造，也高于依赖岩石圈参与地幔对流(也包括岩石圈热传导)的板块构造体制。(2)热管构造形成较冷的岩石圈，使软流圈-岩石圈内形成“冰火两重天”的地温特征(图6b)：火山沉积物的快速堆积和地表快速沉降抑制了软流圈对岩石圈的加热，使之难以达到稳态传导地温，从而形成冷的岩石圈，而软流圈及更深处地幔的地温则较高，以此维持自身大规模部分熔融并提供大规模火山作用所需的岩浆(Mooreetal., 2007; Leoneetal., 2011)。(3)在岩石圈内部形成挤压为主的应力特征，结合岩石圈的低地温、高流变强度特性，往往形成局部造山并维持较高的地形(图3)。(4)热管构造下岩石圈等同于地壳：木卫一的大规模物质循环以垂向为主，决定了软流圈以上的整个圈层不停处于垂向更新的状态中，使地壳与软流圈直接接触(图6a)，二者之间难以形成岩石圈地幔(Keszthelyietal., 2004; Mooreetal., 2007)，而后者是最上层地幔经充分冷却、“硬化”形成的(Ghail, 2015; Karato and Barbot, 2018; Sternetal., 2018)。

需要说明的是，“热管构造”容易与“地幔柱”的概念相混淆，二者在存在的空间范围和热传递机制发生上存在本质的区别(图7)：地幔柱总体上是固态地幔在整个地幔内部的对流(虽然地幔柱上涌造成的地幔熔融本身也部分以地表火山作用的形式表体现并因此存在热管效应)，但热管构造主要的物质和能量循环主要限于软流圈-岩石圈之间；热管构造的热传递依赖木卫一壳幔物质的相变和对流，而地幔柱的热传导主要则通过固态地幔物质的对流将地球深部内部的热量带到浅部，其作用范围涉及整个地幔。

2.2 热管构造体制下造山运动与火山作用之间的成因联系

现有研究表明，火山作用主导的热管构造强化了木卫一地表的高地貌特征。根据前文的分析，在热管体制下，木卫一的新老地壳发生快速更替会引发岩石圈尺度的大规模垂直物质循环。在此过程中，地表火山喷发物的堆积引起地壳整体沉降(图3d、图8)，为维持物质守恒，上述过程促使刚性岩石圈向内收缩并在其底部产生0.3～0.5GPa的横向挤压应力(即“沉降应力”)，相比之下，据推测木卫一现有岩石圈的厚度为20～30km (Carretal., 1998; Jaegeretal., 2003)，岩石圈底部静岩压力仅为～0.15GPa (Schenk and Bulmer, 1998; Jaeger, 2003)。因此，大规模火山作用在岩石圈内引发了“拱券效应”(Arch effect，图3d)。受此影响，岩石圈局部发生破裂和抬升并形成山脉(Turtleetal., 2001 2007; Jaeger, 2003; Kirchoff and McKinnon, 2009; Ahernetal., 2017)。此外，在热管构造体制下，岩石圈的低温特征增加了岩石圈的机械强度(Schenk and Bulmer, 1998; Kirchoff and McKinnon, 2009; Kirchoffetal., 2020)，使构造挤压和抬升引发的岩石圈-软流圈局部重力不均衡现象更加突出。进一步的数值模拟研究表明，木卫一的岩石圈造山作用还会造成山脉附近地壳的张裂和岩浆通道的形成(Bland and McKinnon, 2016)，解释了木卫一山脉多与火山口和熔岩湖共存的原因(Carretal., 1998; Bunteetal., 2010; Kirchoffetal., 2011)。总之，在热管构造体制下，木卫一表面大规模火山作用造成的垂向物质循环是其造山作用强烈、山脉广布的根本原因。

图7 热管构造与地幔柱的对比及二者可能的共存方式示意图 为便于比较二者在促进类地天体冷却过程中导热方式的异同，这里将二者置于一起并假设地幔熔融和火山作用由地幔柱加热引发Fig.7 Schematic diagram showing the difference between the heat-pipe tectonics and the mantle plume and a possible scenario of how they coexists when occur The mechanism of the mantle melting to feed the volcanism is assumed to be induced by mantle plumes for easy comparison

图8 木卫一的内部结构和岩石圈垂向物质循环示意图(据Davies，2007b；Anderson et al.，2001；Moore et al.，2007绘制)Fig.8 Cartoon depicting the structure of Io’s interior, also shown is the circulation of materials in the upper mantle in response to its heat pipe tectonics (modified after Davies,2007b; Anderson et al., 2001; Moore et al.,2007)

2.3 热管构造体制下木卫一的物质分异

根据重力、密度和磁场数据反演以及地表成分测温，目前推测木卫一的内部具有显著的核-幔-壳结构(图8)。木卫一的核可能由Fe-FeS组成并处于全熔状态，由于没有探测到磁场(Kivelsonetal., 2004)，其内部磁流体发电机可能受高温地幔的抑制(Nimmo, 2002; Kivelsonetal., 2004; O’Rourke, 2020)；地幔成分主要为硅酸盐(Keszthelyi and McEwen, 1997; Keszthelyietal., 2004, 2007)；地壳主要以基性硅酸盐为主(见前文)，但也可能含有高分异长英质(Keszthelyi and McEwen, 1997; Keszthelyietal., 2007)。上述结构如何形成？作为分异的起点，木卫一可能由类似 L/LL型球粒陨石(根据其与木卫一总体密度的相似性推测)(Kuskov and Kronrod, 2001)或CII/CM型球粒陨石(依据其与木卫一类似的总体成分和贫挥发分特征)(Consolmagno, 1981; Lewis, 1982)等原始物质吸积而成。在早期吸积过程中，木卫一的核幔分异会在其可能存在的岩浆洋时期快速完成，使Fe和亲Fe元素形成地核，其余元素进入地幔(McKinnon, 2007; Stevenson, 2008)。在相对缓慢的后续壳幔分异过程中，木卫一大规模的地幔部分熔融和岩浆结晶分异必然会使其原始地幔物质会进一步发生分异，使地幔中的不相容元素(Na、K和Si等)分离并进入地壳，而难熔的富Al、Mg、Ca、Fe成分(类似CAI) 则残留在地幔内，上述壳幔分异过程倾向于形成成分和密度差别巨大的壳和幔。据估算，假如以CII/CM型球粒陨石成分作为木卫一的初始成分，且46亿年以来其一直存在现有规模的火山活动，其热管效应散失的热量足以使整个木卫一全熔40次或部分熔融以400次(以10%的熔融程度计)；如果类似的火山活动仅持续木卫一1%的地质历史(即数十个百万年)，理论上也会使其分异出约50km厚、以碱性硅酸盐(如长石和霞石)等低密度低熔长英质地壳，以及总体成分为纯橄岩的地幔(可进一步分异出富Fe和Ca的下地幔)(Keszthelyi and McEwen, 1997)。

如果按照上述的“常规”分异路径演化，正在发生剧烈岩浆作用的木卫一应该经历了极端的壳幔分异，其地壳总体密度应较低。然而，这样的高分异地壳的存在与木卫一现存的火山活动的规模，以及木卫一的地壳/岩石圈主要为基性成分这一观测事实相悖。这是因为现今规模的火山活动不仅需要岩浆大量形成，也依赖岩浆的大规模向上迁移，后者的主要驱动力为岩浆-地壳围岩之间密度差导致的正浮力，而地幔熔融形成的主要是比高分异长英质密度更高的镁铁质-超镁铁质成分，前者难以穿越长英质地壳并维持全球性的大规模喷发(Wieczoreketal., 2001; Wilson, 2009; Michaut and Pinel, 2018)。不过，这一难题可从热管构造自身的垂向物质循环特征予以克服：在热管构造体制下，木卫一的地壳物质可能因底部接触高温软流圈而受热熔融，其熔融产物容易与软流圈熔体/岩浆混合并返回地幔，从而使地壳内将无法积累高分异成分(Carretal., 1998; Keszthelyietal., 1999; McEwen, 2002; Keszthelyietal., 2007)，符合木卫一地壳/岩石圈为基性成分这一观测结果(尚存争议)。

因此，目前的证据表明，木卫一可能已分异出核-幔-壳结构；尽管岩浆作用十分活跃，木卫一可能未经历充分的壳幔分异，未能形成(或保留)类似地球上存在的长英质地壳，这是热管构造体制下木卫一剧烈而彻底的垂向物质循环模式造成的。上述推测还有待更多证据支持，尤其是需要对木卫一的地壳/岩石圈和地幔物质成分进行精确测定。此外，探讨木卫一大规模岩浆活动背后的熔体/岩浆形成、迁移过程及其对内部物质分异的影响涉及对内部温度、组分、流变学特征等因素之间的协同演化，后者是一系列强烈的非线性过程，现有研究已开始尝试对其进行量化(Spenceretal., 2020)，后续还需进一步加强。

2.4 热管构造的发生条件

木卫一的热管构造的发生依赖其岩石圈-软流圈内大规模的岩浆形成-迁移-喷发-冷却和折返，上述每一个步骤的减弱或停止，都会使热管构造暂停或停止并转变为其他构造体制。因此，只有大规模岩浆作用持续发生，才能维持热管构造，具体为：首先，作为首要条件，不论生热机制是什么，充足的热量是木卫一所有地质构造活动的原始驱动力，要使其内部(至少在岩浆源区)保持较高温度并大规模熔融形成熔体/岩浆需要足够高的生热率来维持(Jaupart and Mareschal, 2011)。如果没有强烈的潮汐加热，木卫一的内部熔融和岩浆过程将会停止，并最终可能演变为与月球、水星类似的死寂天体(Mooreetal., 2017)。其次，深部形成的熔体/岩浆要能穿过地壳/岩石圈大规模向上迁移并喷发于地表。这取决于岩石圈的热状态、流变性和内部的应力状况以及岩浆上升的驱动力强弱，后者来自熔体/岩浆相对围岩存在密度差和浮力。类地天体(如月球、水星和地球)表面岩浆活动具有普遍性(Keszthelyietal., 2006; Wilson, 2009; Melosh, 2011b; Wilson and Keil, 2012)，以现有观测来看，只要深部存在岩浆持续形成的条件，后续的岩浆过程往往是不可阻挡，而岩石圈局部拉张形成构造薄弱带等因素则会进一步促进岩浆通道的形成(Huppertetal., 1984; Keszthelyi, 1995; Keszthelyi and Self, 1998; Battagliaetal., 2014; Bland and McKinnon, 2016)。此外，火山喷发物大范围覆盖地表并能快速冷却(以大气圈、水圈等为媒介或直接向太空辐射热量)，其时间尺度约数小时至数月，远小于岩浆迁移过程的千年尺度(Davies, 2007d; Daviesetal., 2010; Williamsetal., 2011)，因而这是热管构造发生的所需条件中最容易达到的，尤其是当大气层稀薄、高温喷发物直接面向太空时(Davies, 2007d; Keszthelyietal., 2007)。

从本质上讲，热管构造体制的发生主要取决于类地天体地幔岩浆源区能否保持较高温度，以及是否存在较强的内生热作用以维持上述高温。后续还需要进一步明确具体的内生热率和地温阈值。

3 讨论

3.1 对类地天体构造演化的启示

除地球、木卫一外，太阳系中绝大多数类地天体的地质活动多已停止，但大多保留了较为丰富的构造-岩浆活动记录，为还原其早期热-构造演化提供了线索。水星保留了41～35.5亿年前的镁铁质-超镁铁质熔岩大规模溢流式喷发的充填平原(Wilson and Head 2008; Headetal., 2011; Marchietal., 2013)，也保留了同时期伴随其整体冷却收缩和地壳/岩石圈挤压形成的、遍布全球的挤压构造(如叶状陡崖和皱脊等)(Headetal., 2009; Wattersetal., 2009; Byrneetal., 2014)，表明早期水星强烈的岩浆活动造成了显著的岩石圈挤压作用(Wattersetal., 1998; Wilson and Head, 2008; Headetal., 2009; Multhaup, 2009; Charlieretal., 2013)。无独有偶，月球也保留了与之类似古老的岩浆-构造记录(Head and Wilson, 1992; Hiesingeretal., 2003; Teradaetal., 2007)。而灶神星等小行星也保留了早期演化的地质记录，现有研究指出，它们的内部在形成初期强烈的放射生热作用(如通过26Al衰变) 下往往发生过熔融，形成的熔体受浮力或应力挤压后与源区残余物质分离，然后上升形成岩浆喷发至地表，并很快分异出镁铁质地壳(Wilson and Keil, 2012; Clenetetal., 2014; McSweenetal., 2019)。上述类地天体的早期地质记录现有记录反映了以下事实：类地天体的壳幔分异可能普遍发生较早并形成广泛覆盖地表的镁铁质火山岩，火山作用往往伴随活跃且以收缩挤压为主的构造运动。这些特征体现了岩浆活动对其早期构造演化重要作用，可通过热管构造来解释这些岩浆-构造演化特征的成因相关性(Turcotte, 1989; Mooreetal., 2017)。

图9 太阳系类地天体现存的几种主要构造体制及其演化示意图(据Stern et al., 2018修改)Fig.9 Carton showing the evolution of tectonic regimes of terrestrial bodies in the Solar System (modified after Stern et al., 2018)

Mooreetal. (2017)进一步认为，在类地天体演化过程中，热管构造的发生有一定的必然性。类地天体演化进程是其散失内部热量的过程，作为制约地表散热的关键因素，其构造体制可以自我调整以适应当时的地温和内部生热条件(图9)。当内部地温和内生热率较高时，类地天体需要其演变出比板块构造或停滞盖层构造等更为高效的散热机制(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016)。木卫一生动地展示了一个类地天体能够以火山作用主导其地表散热过程，对应的热管构造可能是其强内生热条件下众多可能的构造体制中的“最优解”。对大多数类地天体而言，热管构造可能多限于类地天体在岩浆洋固化后相对短暂的演化阶段(Mooreetal., 2017)，这一阶段可提供其发生所需的高地温、高生热率等相对苛刻的条件。由于这样的高内能状态不能长期维持，热管构造如果发生其持续时间相对于其他构造体制而言可能较为短暂。

3.2 早期地球发生热管构造的可能性

在众多类地天体中，只有地球长期存在板块构造，但一般认为其演化早期缺乏发生板块构造的条件(van Hunen and Van Den Berg, 2008; van Hunen and Moyen, 2012; Korenaga, 2013; Karato and Barbot, 2018)。根据最古老的锆石记录，地球可能早在43～44亿年前就存在壳幔分异形成的长英质地壳(以TTG为主)(Ernst, 2009; Harrison, 2009; Kempetal., 2010; 第五春荣等, 2010)，这些早期长英质地壳物质未能保留，其大量出现要在距今35亿年以后才开始(Hawkesworthetal., 2016; 万渝生等, 2017)。从这些有限信息中很难还原出前板块构造体制的轮廓，需要另寻思路。由于木卫一与冥古宙-太古宙早期的地球在高地温、高内生热、发育超基性浆岩和岩浆作用活跃等方面存在相似性，前者的热管构造可能适用于这一时期的地球(Moore and Webb, 2013; Moresi, 2013; Bealletal., 2018; Sternetal., 2018)。这仅是基于比较行星学的推测，对于能否直接套用于地球还有争议，目前认为上述可能性是存在的。

根据木卫一的热管构造特征和数值模拟结果，Moore and Webb (2013)认为地球在其前三分之一历史内处于热管构造体制下，并在32亿年前被板块构造取代。理由如下：首先，太古宙地层中普遍存在短期内快速堆积火山沉积，如在西澳大利亚Pilbara克拉通和南非Barberton克拉通的太古宙绿岩带中存在快速沉积形成的基性-超基性火山沉积地层(其火山地层沉积速率至少为0.03～0.12mm/yr，考虑到火山地层间存在角度不整合且经历后期伸展减薄过程，实际的火山沉积速率应远超上述值)，其喷发年龄限于32亿年前，且二者均缺乏同期伸展构造，符合形成热管构造所需的高地表更新速率以及热管构造倾向于在地壳/岩石圈内形成挤压应力的特征。再如，西澳大利亚Yilgarn克拉通杰克山(Jack Hills) 地区的变沉积岩内残存的古老碎屑锆石的O、Hf和Nd等的同位素特征表明，早在约44～43亿年前，其锆石母岩TTG就可能由在早期水圈中经历风化的镁铁质原始地壳重熔形成(Mojzsisetal., 2001; Wildeetal., 2001; Bédard, 2006; Blichert-Toft and Albarède, 2008; Harrisonetal., 2008; Harrison, 2009; Valleyetal., 2014; Wang and Wilde, 2018)，这些锆石中还发现金刚石-石墨包裹体，其C同位素特征也反映其C元素可能的地表来源(Mennekenetal., 2007; Nemchinetal., 2008)。上述信息反映了早期地球可能存在强烈的壳幔分异和地壳形成过程中原始地壳的再造(reworking)。这需要冥古宙地球借助热管构造这样的构造体制以垂向“传送带”式的构造运动将早期地表物质(包括原始地壳岩石、水和碳等)带入深部(如>100km的金刚石稳定域)，并促进其地幔的熔融和分异并形成早期长英质(Mennekenetal., 2007)。此外，Moore and Webb (2013)认为，32亿年后的地球由于内生热的减弱(因放射性元素衰变)不能维持热管构造，并在这一时间切换为板块构造：在高地幔生热条件下，如果热管构造主导地表散热倾向于形成冷、厚且底部平滑的岩石圈(因横向上只能维持较小温差)，地幔对流对岩石圈产生的拖拽应力不足等因素使岩石圈难以破裂、俯冲，从而抑制板块构造；随着地球内生热、地幔熔融程度和火山作用的减弱，地幔对流的拖拽加强以及岩石圈局部变薄处应力集中，热管构造难以维持并会被板块构造取代(Moore and Webb, 2013; Kankanamge and Moore, 2016; Bealletal., 2018)。

需要说明的是，目前地球最早的地质记录中也反映了当时地球在构造运动、壳幔分异方面与热管构造相悖的三个关键信息：(1)长英质TTG为主大量形成于距今38～36亿年以后，期间地壳以高地温为特征(Ernst, 2009; 张旗和翟明国, 2012; 翟明国, 2019)，这与热管构造倾向于形成较冷岩石圈的预期不符(图6b)；(2) 38～25亿年之间地幔大量分异出长英质TTG并在地壳中保留至今，而热管构造使岩石圈-软流圈间的物质循环较为彻底，不利于保留这些长英质，前者倾向于把它们全部带回地幔；(3)如果地壳在早期即已演化出大量长英质，地幔熔融形成的高密度镁铁质-超镁铁质岩浆难以大规模喷发于地表(类似木卫一的大规模喷发至少要求地壳/岩石圈的成分和岩浆相同或类似)，从而抑制热管构造。基于上述分析，由于热管构造物质循环方式使其不利于长英质地壳的大规模形成，因此至少不应发生于地球大量形成TTG的地史时期。相反，当时的构造体制应以允许岩浆作用以侵入为主而非喷发作用主导(Rozeletal., 2017; Lourencoetal., 2018)。

因此，38～36亿年以后的动力学环境不宜用热管构造解释，因此，热管构造的持续时间可能短于Moore and Webb (2013)推测的时间范围。根据现有地质观察，热管构造可能适用于较早期的冥古宙-早太古宙地球，即岩浆洋(尚存争议)固化后、TTG尚未大量形成或保留的演化阶段(图9)。理由如下：首先，长英质组分是地球特有的壳幔高度分异产物，热管构造的垂向循环虽然不利于保留地球最早壳幔分异的产物(如TTG等)，但是可以解释长英质成分在冥古宙就已经形成但无法保留的观察事实。其次，长英质组分是超镁铁质地幔橄榄岩-镁铁质岩-中性岩-长英质岩分异路径的末端产物(Bédard, 2006)，相对其他构造体制而言，热管构造引发的垂直物质循环造成的快速分异倾向于大规模形成镁铁质，不仅有利于在地球演化早期快速、大规模地积累镁铁质地壳，并在地壳深部为后续的中酸性岩提供“原材料”，也能促进地表挥发分进入其源区深部促进原岩的熔融和分异，因为挥发分是长英质成分得以形成的关键因素(Moore and Webb, 2013)。第三，早期地球在岩浆洋固化后的地球内部温度较高(包括残留的吸积热等)，总体生热率较高(放射性衰变热是当前值的4～5倍)，需要热管构造等“更合适”的构造体制进行高效的散热，同时，由于地幔较容易发生熔融且早期地壳以镁铁质成分为主，岩浆作用活跃且倾向于以喷发为主，符合热管构造的特征。

综上所述，可以推测：冥古宙-始太古代时期(约38亿年以前) 的地球可能处于热管构造体制下，后续演化阶段不再具备维持该体制的条件。不过，即使地球存在过热管构造，其引发的强烈垂向物质循环(地壳/岩石圈主要由较易折返回地幔的超镁铁质-镁铁质成分组成)，外加同期强烈的外动力地质作用(如太阳系“后期陨石密集轰击事件”，Ryder, 2002)和其他后续地质作用的长期改造，可能使热管构造的地质记录被“抹掉”，为相关研究带来困难。早期地球是否存在热管构造取决于后续对其性质、发生条件及其对类地天体热演化和物质分异的潜在影响等关键问题的研究能否取得突破。

4 结论和展望

现今的木卫一存在强烈的火山作用、极高的地表热流、快速更新的地表、活跃的造山作用和内部强烈的潮汐加热作用，并且可能发育超镁铁质岩浆并存在“岩浆洋”，体现了其在太阳系内独一无二的动力学特征。相对于其他构造体制，热管构造可以很好地解释上述特征。木卫一展示了类地天体能以火山作用主导其全球构造运动和地表散热过程，其热管构造体制与其当前较高的地温和较强的内生热条件相适应。在类地天体演化的早期，尽管内部生热机制与木卫一可能存在显著差异，但岩浆作用活跃、内部温度高、内生热作用强烈是其共性，它们在演化的早期可能都经历了类似的热管构造阶段。

对地球而言，现有证据不排除其演化早期经历过热管构造阶段的可能性，后者相对其他构造体制而言更有利于早期地球散发内部积累的热量，也有利于其地幔快速分异出早期地壳。同时，由于地球在38亿年后才大量形成TTG，而热管构造并不利于保留这些壳幔分异产物，依据TTG形成的时间上限推测，热管构造的发生可能仅限于约38亿年以前的冥古宙-始太古代时期。由于地球没有保留相应的早期构造活动的证据，木卫一是揭开地球早期演化的关键“钥匙”。对此，亟待以木卫一为研究对象，对热管构造的性质、发生条件等关键问题进一步开展定量研究。

致谢感谢中国科学院地球化学研究所朱丹研究员和张明明对本文第一作者在木卫一演化研究方面的帮助；两位审稿人对本文的初稿提出了宝贵的修改意见和建议，在此深表感谢。