近日，我国学者发文提出中微子振荡能够诱导放射性衰变的新观点和岩浆形成新理论。如果这些新观点和理论被证实，将会给中微子物理学和地球动力学带来新突破。
前人对中微子振荡的物质效应的研究主要关注的是物质效应对中微子振荡的影响，集中在物质对中微子影响所导致的中微子味转换几率的变化，几乎没有研究者关注中微子振荡对介质的影响。近日，张国文等[1]在《现代物理》发表文章，报告了中微子振荡的物质效应对传播介质的影响。众所周知，共振是一种受迫运动，存在能量激发，对脆弱系统具有极强的破坏作用。作者认为，中微子振荡的物质效应中的MSW（Mikhev- Smirnov-Wolfenstein）[2,3]机制是一种典型的物理共振，该共振在强烈影响中微子振荡，导致中微子味转换几率增大的同时，也对介质原子产生一些影响，激发介质原子进入高能量激发态，导致介质中不稳定放射性核子进一步失稳，增大其衰变几率，释放更多衰变能。
基于上述研究，作者进一步探讨了相关中微子振荡的地球物质效应，发现大气中微子能够在地球内部产生MSW共振。作者明确提出，地球内部的熔体就是大气中微子振荡诱导地球内部放射性物质衰变生热形成的[4,5]。这一全新的观点为岩浆形成打开了新的视野，也为一些地学疑难问题提供了新的解决线索：（1）岩浆形成的能源。岩浆形成通常有两种方式：一是加热，使岩石的温度高于固相线；二是在温度恒定时，降低岩石的固相线温度（如注入挥发分或减压等）。目前地学界普遍认为，只有通过软流圈上涌和板块俯冲来进行减压和加热及注入挥发分。所以岩浆大多在洋中脊和汇聚板块边缘产生[6,7]。这种岩浆形成理论存在许多无法解决的问题，如花岗岩大陆的起源问题[8,9]，海山岩浆成因问题[10]，等等。近年来的研究表明，岩浆储库中的物质可能主要以晶粥（mush）的形式存在，它们长时间处于无法流动的冷储存状态，只有当新岩浆侵入而注入额外的热量和流体时，储库中的晶粥才会被活化而产生岩浆活动[11]。这种晶粥模型虽然能够解释花岗岩体构造和成分多样性等问题，但是，晶粥活化的新岩浆来源等问题仍然模糊不清。同时研究表明，软流圈本来就存在部分熔体[12,13]，并非是软流圈上涌后才产生了熔体。也就是说，无须上涌，软流圈也可产生熔体。同时，板片俯冲只集中在少数地带，而软流圈具有全球性，因此软流圈的熔体也不可能是俯冲形成的。那么是何种机制导致软流圈部分物质熔融的呢？对于这一问题，至今也没有定论[13-16]。（2）地球的动力机制问题。动力机制问题是地球科学的关键问题，也是地球科学始终没有解决的疑难问题[17]。被美国国家科学基金会《时域地球—地球科学十年愿景（2020—2030）》[18]列出的一些急需解决的地学问题：地球内部磁场是如何产生的？板块构造何时、为何和如何启动？（什么原因导致地震？什么驱动了火山作用？地形变化的起因和结果是什么？这些问题都涉及能源或力源问题。可是对于这些能源或力源问题，至今也没有确切答案[17]。
作者提出的中微子振荡诱导放射性生热有助于解决上述地学疑难问题。计算表明，在上地幔，只要3.02%的主要放射性物质被MSW共振扰动衰变，所产生的热量就足以导致该区域物质熔融。
作者在文章中列举了中微子振荡诱导放射性衰变生热导致物质熔融的一个关键证据——浆胞（melt pocket）[5]。浆胞是一种来自地幔的熔融微区捕虏体，其大小在纳米至微米级别，被认为是岩浆的开端或基本单元，通常由新生矿物+熔融玻璃+熔融后的残留矿物等物质组成，其形状多种多样，有滴状、球状、扇状、牛角状、细脉状和不定形状等[19]。浆胞多为孤立体，四周全被未熔化的矿物晶体（主要是橄榄石、尖晶石）所包围，既无岩浆网络与外界连通，也不见破碎构造裂隙彼此相连，完好地保存了玄武岩浆最初始的发育状态及信息，是原状地幔产生岩浆的缩影。浆胞的发育遍及全球各地，有许多学者进行过研究。观察发现[20,21]，在同一个岩石切片中同为斜方辉石（Opx），有的颗粒完全熔融，有的颗粒则并未熔融，熔融程度在一个薄片里变动范围相差很大，显示它们所处热场并非一致。同时，熔融微区普遍存在玻璃质，说明浆胞在熔融后经历了快速冷却，浆胞与环境存在较大温差。显然，这种浆胞不可能通过板片俯冲或地幔上涌产生，应该另有成因。杜乐天认为，地幔流体的不均匀渗入致物质熔融是岩浆（浆胞）形成的重要的因素。但是浆胞并没有裂隙或岩浆脉络与外界连通，地幔流动（包括气体）无法渗入其中。
因此作者认为，能够不破坏矿物而深入矿物中间导致矿物中间微区熔融的因素只能是大气中微子。由于中微子振荡只能诱导放射性衰变，所以只有放射性元素富集的区域，才会发生熔融，或者说首先发生熔融的是放射性元素富集区域。研究表明，浆胞就是典型的放射性元素富集微区，其放射性物质含量是基岩的几百至上千倍[20,21]。
同时，作者根据岩浆的产生和迁移，还提出了岩浆演化的新机制[5]。由于在中微子振荡的扰动下，只有那些放射性元素相对富集的微小区域才会发生熔融，并形成一系列浆胞。所以最初产生的熔体（或岩浆）是分散的，随着中微子振荡扰动放射性元素生热量的增多和温度升高，浆胞逐渐长大，或者浆胞增多后汇聚在一起，形成更大的熔体。此时熔体才能迁移离开基体矿物。因熔体物温度高，密度低，会产生较大浮力，因而熔体通常向上迁移。岩浆上升运移的过程也是岩浆不断演化的过程。在此过程中，岩浆通过合流、融合、交代、蚀变、晶出和出溶等作用，不断地与环境进行物质和能量交换，最终导致沿途的易熔物质被不断熔融掉（减少），而难熔物质则不断结晶析出堆积，地球深部的一些结构也因此不断发生变化。所以，岩浆迁移的越远，演化就越充分。作者还根据岩浆的迁移演化，解释了软流圈和岩石圈-软流圈边界（LAB）两个熔融物汇聚地带的成因。
不过，正如作者所言，大气中微子振荡诱导放射性衰变及岩浆形成，只是一种定性研究，还存在一些不足，主要是不能计算衰变产生的热量。这其实很关键，如果热量太少，就不足以导致物质熔融。因此作者建议通过实验探测来确定中微子振荡诱导放射性衰变的衰变率，以确定放射性的生热量。总之，作者的探索是非常有益的，如果能够被证实，将是真正意义上的颠覆性成果。
参考文献
1. 张国文, 张梦珂. 中微子振荡诱导放射性衰变研究[J]. 现代物理, 2024, 14(4): 135-144. https://doi.org/10.12677/mp.2024.144016
2. Wolfenstein, L. Neutrino Oscillations in Matter[J]. Phys. Rev. D, 1978, 17: 2369.
3. Mikheyev, S. P and Smirnov, A. Y. Resonant Neutrino Oscillations in Matter[J]. Progress in Particle and Nuclear Physics, 1989, 23, 41-136.
4. 张国文，张梦珂. 大气中微子振荡与岩浆及地幔流体的起源[A]//中国矿物岩石地球化学学会矿物包裹体专业委员会. 2024年第二十二届全国矿物包裹体及地质流体学术研讨会论文摘要[C];, 兰州，2024年8月.
5. Zhang, G. W. and Zhang, M. K. Effects of Matter in Atmospheric Neutrino Oscillations and the Formation of Magma[J]. Journal of Geoscience and Environment Protection, 2024, 12, 270-287. https://doi.org/10.4236/gep.2024.1212017.
6. McKenzie, D. and Bickle, M. J. The volume and composition of melt generated by extension of the lithosphere[J]. Journal of Petrology , 1988, 29(3), 625-679.
7. Grove, T. L., Till, C. B., Krawczynski, M. J. The role of H2O in subduction zone magmatism[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences , 2012, 40, 413-439.
8. 王孝磊.花岗岩研究的若干新进展与主要科学问题[J].岩石学报,2017,33(05): 1445 - 1458.
9. 赵国春,张健,尹常青,等.前板块构造与大陆起源[J].科学通报,2023,68(18):2312-2323.
10. 潘谟晗, 杨挺, 林间, 等. 斑点火山的形成机制和岩石圈-软流圈边界(LAB)的性质[J]. 地球科学, 2021, 46(3): 817-825.
11. 马昌前, 邹博文, 高珂, 等. 晶粥储存、侵入体累积组装与花岗岩成因[J]. 地球科学, 2020, 45(12): 4332-4351.
12. 熊庆.蛇绿岩记录的大洋地幔内熔体迁移过程[J].矿物岩石地球化学通报, 2021, 40(05): 999-1011+996.
13. Debayle, E., Bodin, T., Durand, S., Ricard, Y. Seismic evidence for partial melt below tectonic plates[J]. Nature, 2020, 586(7830): 555-559.
14. 陈志耕. 软流层的地球膨胀成因及其形成时间[J]. 地球科学进展, 2013, 28(7): 834-846.
15. 顾芷娟, 孙天泽, 陶京岭. 高温高压下橄榄石含水实验和软流圈成因[J]. 地球物理学进展, 2001, (03): 40-46.
16. 杜乐天. 地球排气作用的重大意义及研究进展[J]. 地质论评, 2005(02): 174-180.
17. 滕吉文, 董兴朋, 闫雅芬, 等. 地球内部各圈层的物质运动与动力学响应和力源[J]. 地质论评, 2016, 62(03): 513-538.
18. 许志琴, 杨经绥, 朱文斌. 序——再论大陆动力学发展面临的重大挑战[J]. 地质学报, 2021, 95(1):0-1.
19. 刘劲鸿. 吉林蛟河上地幔岩碎块内熔融微区矿物学及其地质意义[J].地学前缘,2020, 27 (05): 48-60.
20. 杜乐天,王文广. 地幔中铀的存在状态及其地球化学含义[J]. 地学前缘, 2005, (01):69-78.
21. 杜乐天.地幔流体与玄武岩及碱性岩岩浆成因[J]. 地学前缘, 1998(03):145-157.
前人对中微子振荡的物质效应的研究主要关注的是物质效应对中微子振荡的影响，集中在物质对中微子影响所导致的中微子味转换几率的变化，几乎没有研究者关注中微子振荡对介质的影响。近日，张国文等[1]在《现代物理》发表文章，报告了中微子振荡的物质效应对传播介质的影响。众所周知，共振是一种受迫运动，存在能量激发，对脆弱系统具有极强的破坏作用。作者认为，中微子振荡的物质效应中的MSW（Mikhev- Smirnov-Wolfenstein）[2,3]机制是一种典型的物理共振，该共振在强烈影响中微子振荡，导致中微子味转换几率增大的同时，也对介质原子产生一些影响，激发介质原子进入高能量激发态，导致介质中不稳定放射性核子进一步失稳，增大其衰变几率，释放更多衰变能。
基于上述研究，作者进一步探讨了相关中微子振荡的地球物质效应，发现大气中微子能够在地球内部产生MSW共振。作者明确提出，地球内部的熔体就是大气中微子振荡诱导地球内部放射性物质衰变生热形成的[4,5]。这一全新的观点为岩浆形成打开了新的视野，也为一些地学疑难问题提供了新的解决线索：（1）岩浆形成的能源。岩浆形成通常有两种方式：一是加热，使岩石的温度高于固相线；二是在温度恒定时，降低岩石的固相线温度（如注入挥发分或减压等）。目前地学界普遍认为，只有通过软流圈上涌和板块俯冲来进行减压和加热及注入挥发分。所以岩浆大多在洋中脊和汇聚板块边缘产生[6,7]。这种岩浆形成理论存在许多无法解决的问题，如花岗岩大陆的起源问题[8,9]，海山岩浆成因问题[10]，等等。近年来的研究表明，岩浆储库中的物质可能主要以晶粥（mush）的形式存在，它们长时间处于无法流动的冷储存状态，只有当新岩浆侵入而注入额外的热量和流体时，储库中的晶粥才会被活化而产生岩浆活动[11]。这种晶粥模型虽然能够解释花岗岩体构造和成分多样性等问题，但是，晶粥活化的新岩浆来源等问题仍然模糊不清。同时研究表明，软流圈本来就存在部分熔体[12,13]，并非是软流圈上涌后才产生了熔体。也就是说，无须上涌，软流圈也可产生熔体。同时，板片俯冲只集中在少数地带，而软流圈具有全球性，因此软流圈的熔体也不可能是俯冲形成的。那么是何种机制导致软流圈部分物质熔融的呢？对于这一问题，至今也没有定论[13-16]。（2）地球的动力机制问题。动力机制问题是地球科学的关键问题，也是地球科学始终没有解决的疑难问题[17]。被美国国家科学基金会《时域地球—地球科学十年愿景（2020—2030）》[18]列出的一些急需解决的地学问题：地球内部磁场是如何产生的？板块构造何时、为何和如何启动？（什么原因导致地震？什么驱动了火山作用？地形变化的起因和结果是什么？这些问题都涉及能源或力源问题。可是对于这些能源或力源问题，至今也没有确切答案[17]。
作者提出的中微子振荡诱导放射性生热有助于解决上述地学疑难问题。计算表明，在上地幔，只要3.02%的主要放射性物质被MSW共振扰动衰变，所产生的热量就足以导致该区域物质熔融。
作者在文章中列举了中微子振荡诱导放射性衰变生热导致物质熔融的一个关键证据——浆胞（melt pocket）[5]。浆胞是一种来自地幔的熔融微区捕虏体，其大小在纳米至微米级别，被认为是岩浆的开端或基本单元，通常由新生矿物+熔融玻璃+熔融后的残留矿物等物质组成，其形状多种多样，有滴状、球状、扇状、牛角状、细脉状和不定形状等[19]。浆胞多为孤立体，四周全被未熔化的矿物晶体（主要是橄榄石、尖晶石）所包围，既无岩浆网络与外界连通，也不见破碎构造裂隙彼此相连，完好地保存了玄武岩浆最初始的发育状态及信息，是原状地幔产生岩浆的缩影。浆胞的发育遍及全球各地，有许多学者进行过研究。观察发现[20,21]，在同一个岩石切片中同为斜方辉石（Opx），有的颗粒完全熔融，有的颗粒则并未熔融，熔融程度在一个薄片里变动范围相差很大，显示它们所处热场并非一致。同时，熔融微区普遍存在玻璃质，说明浆胞在熔融后经历了快速冷却，浆胞与环境存在较大温差。显然，这种浆胞不可能通过板片俯冲或地幔上涌产生，应该另有成因。杜乐天认为，地幔流体的不均匀渗入致物质熔融是岩浆（浆胞）形成的重要的因素。但是浆胞并没有裂隙或岩浆脉络与外界连通，地幔流动（包括气体）无法渗入其中。
因此作者认为，能够不破坏矿物而深入矿物中间导致矿物中间微区熔融的因素只能是大气中微子。由于中微子振荡只能诱导放射性衰变，所以只有放射性元素富集的区域，才会发生熔融，或者说首先发生熔融的是放射性元素富集区域。研究表明，浆胞就是典型的放射性元素富集微区，其放射性物质含量是基岩的几百至上千倍[20,21]。
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不过，正如作者所言，大气中微子振荡诱导放射性衰变及岩浆形成，只是一种定性研究，还存在一些不足，主要是不能计算衰变产生的热量。这其实很关键，如果热量太少，就不足以导致物质熔融。因此作者建议通过实验探测来确定中微子振荡诱导放射性衰变的衰变率，以确定放射性的生热量。总之，作者的探索是非常有益的，如果能够被证实，将是真正意义上的颠覆性成果。
参考文献
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4. 张国文，张梦珂. 大气中微子振荡与岩浆及地幔流体的起源[A]//中国矿物岩石地球化学学会矿物包裹体专业委员会. 2024年第二十二届全国矿物包裹体及地质流体学术研讨会论文摘要[C];, 兰州，2024年8月.
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