[科普中国]-“地心世界”新发现：下地幔特殊地形或是早期地球历史遗迹

在2月15日《科学》杂志发表的一篇论文中，由中国科学家吴文波、倪四道和美国科学家欧文等共同组成的研究团队称，在地下约660千米的下地幔顶部的小尺度范围内存在大约1-3千米的地形起伏。此前科学家已在更大尺度揭示地壳与地幔、上地幔与下地幔边界的地形。这些大规模地形的高度与地球表面的地形起伏高度相当。但是在小尺度范围内对上下地幔边界地形起伏的研究一直是一个挑战。本次该研究团队通过分析玻利维亚1994年发生的8.2级地震数据，首次提供了上下地幔边界在千米尺度的地形证据。该地形与地球和其他行星表面的地形非常类似。图注：“高精度”地球边界地形图：左边为喜马拉雅山和马里亚纳海沟；右边是本次的最新研究成果（1-3km尺度地形起伏）这个发现不仅支持了此前科学家提出的上地幔和下地幔之间部分阻塞或不完全环流的概念，同时也表明下地幔部分可能含有早期地球的历史遗迹。地球的结构就像一个鸡蛋在先前研究中，科学家借助地震波在地球内部不同部位的传播特点，将地球内部构造从内到外划分为地核、地幔和地壳。其中，地壳和地幔以莫霍洛维奇不连续面（简称莫霍面）为界，地幔和地核以古登堡不连续面（简称古登堡面）为界。前者由前南斯拉夫学者莫霍洛维奇首次发现，深度在大陆之下平均约33千米；后者由美国科学家古登堡首先发现，位于地下2885千米的深处。图注：地球内部结构图：地壳和地幔以莫霍面为界，地幔和地核以古登堡面为界；地壳厚度之于地球，就像蛋壳之于鸡蛋。（图片来自网络）借助地震波研究，科学家们又将地幔分为上地幔和下地幔。目前人类所认识的地幔是什么样子呢？科学家们给出了地幔的物质构成及其随深度的变化情况：上地幔是一种坚硬的岩石，主要由橄榄石和辉石混合物组成。随着往下深度的增加，地球内部的温度和压力随之增大，其矿物性质也随之发生变化。从深度400千米开始，橄榄石结构变化使得地幔的刚度和密度增加，导致地震波在该深度发生反射。在同样的深度，辉石逐渐转变为石榴石。该区域标志着进入地幔过渡带。在660千米时，石榴石和橄榄石逐渐转化为硅钙石、氧化镁和钙钛矿。这一区域被看作是上地幔到下地幔的正式过渡（上下地幔分界）。下地幔则由80%以上的高粘度硅钙石、17%的氧化镁-氧化铁及少量的钙钛矿的组成。地核则按照固液态被分为外地核和内地核。外地核为液态，内地核为固态，均由高温、高压的铁镍等金属物质组成。地幔中矿物相从上地幔到下地幔的剧烈变化，导致了地震波在其间传播的波速和密度的变化。结合大量地震数据，科学家们认为，上地幔和下地幔之间边界的深度约660千米。这也是该研究团队选择地下660千米进行研究的原因。意外结果来自25年前的地震数据地震是人们谈之色变的名词，但其所产生的地震波却被称为能照地球的“X光”。 地震波是从震源向四处传播的弹性波，按传播方式分为纵波（P波）、横波（S波）（纵波和横波均属体波）和面波（L波）三种类型。地震发生时我们看到的山崩地裂，房屋建筑倒塌的场景，实际上是由不同类型的地震波“分工协作”完成的。纵波是推进波，在地下传播速度最快，最先到达震中，它能够使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地下的传播速度稍慢于纵波，第二个到达震中，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，其波长大、振幅强，只沿地球表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。科学家正是巧妙的利用了不同类型地震波在地下的传播特点，发现了地球的圈层结构。图注：不同类型地震波在地下传播的特点，图中可见横波无法在外核中传播（速度为0），科学家们正是据此推测外核为液态。（图片来自网络）像我们平常所见的水波、声波、光波一样，地震波也可以在不同介质的界面上发生反射、折射和散射。水波遇到堤坝时会返回，地震波在遇到边界面（例如地球表面）时也会发生反射。此次科学发现也正是应用了地震波的这种反射特性。当发生里氏5.0级以上的地震时，震源处会向地球释放大量的地震能量，这些能量以体波的形式向四处传播。强烈地震（~7.0级）的P波可以经过地核到达地球的另一边，经过地面反射之后返回。这些信号会被位于全球不同位置的2500多个地震监测站接收，其中，震中距（地面观测点和震源位置对地心的张角）在0°~40°范围内的监测数据最清晰和精确。在本次研究中，研究人员综合2003年发生在南美洲玛丽亚机场的里氏7.0级地震，以及2008年发生在鄂霍次克海里氏7.3级地震数据，发现地震波在被地球另一侧的地面反射之前，会先经过另一次反射。通过对比两次反射信号返回的时间差，确定该反射面正是地下660km处的上-下地幔分界面。图注：地震波在到达地球的另一面之前，提前被660km处的上-下地幔分界面散射。红星表示震源，蓝三角表示接收器。基于此，该研究团队进一步选取了1994年发生在玻利维亚的里氏8.2级地震数据进行分析。研究人员精选了位于玻利维亚和秘鲁之间震中距在2°~10°范围内的共16个地震监测站的数据，尝试从中获取上下地幔分界面的“精细”地形。图注：同一个震源发出的地震波，一部分被上下地幔分界（660）反射，一部分被地球表面（surface）反射；被地幔分界面反射的会先返回。如果地震波被反射的分界面是光滑的，所有反射能量（反射信号）将同时到达接收器，在数据上表现为一个单一的能量峰值。如果表面粗糙有起伏，能量将被分散从而表现出不稳定。在排除了同一监测时段内余震对地震数据的影响后，该团队最终发现，在上下地幔的分界面上（亦称“下地幔顶部”）存在1~3千米尺度的地形起伏。探索地球的内部此前已有报道称，科学家们进行了一项名为“国际海洋钻探”的计划，在海洋的地壳较薄处打穿地壳，进入地幔。该项目于2015年12月底宣告成功。美国的科学团队提取了地幔中不同深度的元素，并对其含量进行对比，最后发现：氙-129和氙-130的同位素比例在地幔某个深度突然显示出不符合预期的变化。对于同一个天体，其内部同位素的比值随深度的变化关系一定是有规律可循的。氙的同位素比值在地幔中某个深度突然变得反常，说明地球很可能不是一个完整的个体。也就是说，在地球的地幔深处隐藏着一颗比地球更古老的“地球”。地球与太阳和太阳系的其他天体相比，在元素丰度和同位素比值方面均存在差异。这些差异是由早期地球的岩石隔离形成的，还是由于原行星盘（年轻恒星外围绕的浓密气体，被认为可发展成行星系统）的异质性造成的，一直是纠缠于行星形成与当前地球结构的一个基本问题。本次的研究将有助于回答地球起源与进化的基本问题。这种1-3km的下地幔地形起伏与我们在地球上和其他行星上观察到的地表地形非常类似，结合之前发现的下地幔的化学组成与上地幔的截然不同，以及某些区域上下地幔的混合程度的巨大差异（被解释为上下地幔部分阻塞或不完全环流），我们有理由推测：下地幔似乎隐藏着早期地球形成的历史遗迹。或许地球一直在向我们诉说着关于它的前世今生，只是我们人类还无法破解到它告诉我们的信息，就如同此次的科学研究发现一样。相信随着科技手段的不断完善，人类一定能揭开更多关于地球的秘密。作者 | 丁宝明 中国地质大学博士编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自“科普中国”