早期地球可能殘留的化學(xué)物質(zhì)位于地核附近

讓我們踏上地球深處的旅程，深入地殼和地幔，接近地核。我們將使用地震波來指明方向，因?yàn)樗鼈儠?huì)在地震發(fā)生后通過地球產(chǎn)生回聲，并像雷達(dá)波一樣揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在核心附近，有地震波緩慢爬行的區(qū)域。猶他大學(xué)的新研究發(fā)現(xiàn)，這些神秘且具有描述性名稱的超低速區(qū)令人驚訝地分層。建模表明，其中一些區(qū)域可能是早期地球形成過程的殘余物——不完全混合的殘余物，就像一碗面糊底部的面粉團(tuán)。

“在我們所知道的深部地幔的所有特征中，超低速帶可能代表了最極端的特征，”地質(zhì)與地球物理系副教授邁克爾 S.索恩說。“確實(shí)，這些是地球上任何地方發(fā)現(xiàn)的一些最極端的特征。”

該研究發(fā)表在《自然地球科學(xué)》上，由美國國家科學(xué)基金會(huì)資助。

進(jìn)入地幔

讓我們回顧一下地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。我們生活在地殼上，這是一層薄薄的堅(jiān)固巖石。在地殼和行星中心的鐵鎳核之間是地幔。它不是熔巖海洋——相反，它更像是堅(jiān)硬的巖石，但很熱，并且具有移動(dòng)的能力，從而驅(qū)動(dòng)地表的板塊構(gòu)造。

我們?nèi)绾沃赖蒯：偷睾酥邪l(fā)生了什么?地震波。地震后，當(dāng)它們在地球上產(chǎn)生漣漪時(shí)，地表的科學(xué)家可以測量這些波浪如何以及何時(shí)到達(dá)世界各地的監(jiān)測站。根據(jù)這些測量結(jié)果，他們可以反推這些波是如何被地球內(nèi)的結(jié)構(gòu)反射和偏轉(zhuǎn)的，包括不同密度的層。這就是我們?nèi)绾沃赖貧?、地幔和地核之間的邊界在哪里——以及我們?nèi)绾沃浪鼈兪怯墒裁唇M成的。

超低速區(qū)位于地幔底部，液態(tài)金屬外核的頂部。在這些地區(qū)，地震波減慢了一半，密度增加了三分之一。

科學(xué)家們最初認(rèn)為這些區(qū)域是地幔部分融化的區(qū)域，可能是冰島等所謂“熱點(diǎn)”火山區(qū)的巖漿來源。

“但我們稱之為超低速區(qū)的大多數(shù)東西似乎并不位于熱點(diǎn)火山下方，”索恩說，“所以這不可能是全部。”

因此，澳大利亞國立大學(xué)、亞利桑那州立大學(xué)和卡爾加里大學(xué)的博士后學(xué)者索恩·帕查伊 (Surya Pachhai) 及其同事著手探索另一種假設(shè)：超低速帶可能是由不同巖石組成的區(qū)域，而不是其他區(qū)域。地幔——而且它們的成分可能會(huì)追溯到早期的地球。

或許，索恩說，超低速區(qū)可能是氧化鐵的集合，我們認(rèn)為它們在表面生銹，但在深部地幔中表現(xiàn)為金屬。如果是這種情況，地核外的氧化鐵袋可能會(huì)影響下方產(chǎn)生的地球磁場。

“超低速帶的物理特性與其起源有關(guān)，”Pachhai 說，“這反過來又提供了關(guān)于地球最下地幔的熱和化學(xué)狀態(tài)、演化和動(dòng)力學(xué)的重要信息——地幔對流的重要組成部分驅(qū)動(dòng)板塊構(gòu)造。”

逆向工程地震波

為了獲得清晰的圖像，研究人員研究了澳大利亞和新西蘭之間珊瑚海下方的超低速帶。這是一個(gè)理想的位置，因?yàn)樵摰貐^(qū)發(fā)生了豐富的地震，提供了核心-地幔邊界的高分辨率地震圖像。希望高分辨率觀測可以更多地揭示超低速區(qū)是如何組合在一起的。

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