文 / 丁寶明 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
在2月15日《科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇論文中，由中國(guó)科學(xué)家吳文波、倪四道和美國(guó)科學(xué)家歐文等共同組成的研究團(tuán)隊(duì)稱，在地下約660千米的下地幔頂部的小尺度范圍內(nèi)存在大約1-3千米的地形起伏。
此前科學(xué)家已在更大尺度揭示地殼與地幔、上地幔與下地幔邊界的地形。這些大規(guī)模地形的高度與地球表面的地形起伏高度相當(dāng)。但是在小尺度范圍內(nèi)對(duì)上下地幔邊界地形起伏的研究一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。
本次該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析玻利維亞1994年發(fā)生的8.2級(jí)地震數(shù)據(jù)，首次提供了上下地幔邊界在千米尺度的地形證據(jù)。該地形與地球和其他行星表面的地形非常類似。
“高精度”地球邊界地形圖：左邊為喜馬拉雅山（地面最高峰）和馬里亞納海溝（地面最低點(diǎn)）；右邊是本次的最新研究成果（1-3km尺度地形起伏）
這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅支持了此前科學(xué)家提出的上地幔和下地幔之間部分阻塞或不完全環(huán)流的概念，同時(shí)也表明下地幔部分可能含有早期地球的歷史遺跡。
地球的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)雞蛋
在先前研究中，科學(xué)家借助地震波在地球內(nèi)部不同部位的傳播特點(diǎn)，將地球內(nèi)部構(gòu)造從內(nèi)到外劃分為地核、地幔和地殼。其中，地殼和地幔以莫霍洛維奇不連續(xù)面（簡(jiǎn)稱莫霍面）為界，地幔和地核以古登堡不連續(xù)面（簡(jiǎn)稱古登堡面）為界。前者由前南斯拉夫?qū)W者莫霍洛維奇首次發(fā)現(xiàn)，深度在大陸之下平均約33千米；后者由美國(guó)科學(xué)家古登堡首先發(fā)現(xiàn)，位于地下2885千米的深處。
地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：地殼和地幔以莫霍面為界，地幔和地核以古登堡面為界；地殼厚度之于地球，就像蛋殼之于雞蛋。（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
借助地震波研究，科學(xué)家們又將地幔分為上地幔和下地幔。目前人類所認(rèn)識(shí)的地幔是什么樣子呢？科學(xué)家們給出了地幔的物質(zhì)構(gòu)成及其隨深度的變化情況：
上地幔是一種堅(jiān)硬的巖石，主要由橄欖石和輝石混合物組成。隨著往下深度的增加，地球內(nèi)部的溫度和壓力隨之增大，其礦物性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。
從深度400千米開始，橄欖石結(jié)構(gòu)變化使得地幔的剛度和密度增加，導(dǎo)致地震波在該深度發(fā)生反射。在同樣的深度，輝石逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭袷?。該區(qū)域標(biāo)志著進(jìn)入地幔過(guò)渡帶。
在660千米時(shí)，石榴石和橄欖石逐漸轉(zhuǎn)化為硅鈣石、氧化鎂和鈣鈦礦。這一區(qū)域被看作是上地幔到下地幔的正式過(guò)渡（上下地幔分界）。
下地幔則由80%以上的高粘度硅鈣石、17%的氧化鎂-氧化鐵及少量的鈣鈦礦的組成。
地核則按照固液態(tài)被分為外地核和內(nèi)陸核。外地核為液態(tài)，內(nèi)陸核為固態(tài)，均由高溫、高壓的鐵鎳等金屬物質(zhì)組成。
地幔中礦物相從上地幔到下地幔的劇烈變化，導(dǎo)致了地震波在其間傳播的波速和密度的變化。結(jié)合大量地震數(shù)據(jù)，科學(xué)家們認(rèn)為，上地幔和下地幔之間邊界的深度約660千米。這也是該研究團(tuán)隊(duì)選擇地下660千米進(jìn)行研究的原因。
意外結(jié)果來(lái)自25年前的地震數(shù)據(jù)
地震是人們談之色變的名詞，但其所產(chǎn)生的地震波卻被稱為能照地球的“X光”。地震波是從震源向四處傳播的彈性波，按傳播方式分為縱波（P波）、橫波（S波）（縱波和橫波均屬體波）和面波（L波）三種類型。地震發(fā)生時(shí)我們看到的山崩地裂，房屋建筑倒塌的場(chǎng)景，實(shí)際上是由不同類型的地震波“分工協(xié)作”完成的。
縱波是推進(jìn)波，在地下傳播速度最快，最先到達(dá)震中，它能夠使地面發(fā)生上下振動(dòng)，破壞性較弱。橫波是剪切波，在地下的傳播速度稍慢于縱波，第二個(gè)到達(dá)震中，它使地面發(fā)生前后、左右抖動(dòng)，破壞性較強(qiáng)。面波是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長(zhǎng)大、振幅強(qiáng)，只沿地球表面?zhèn)鞑?，是造成建筑物?qiáng)烈破壞的主要因素。
科學(xué)家正是巧妙的利用了不同類型地震波在地下傳播的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了地球的圈層結(jié)構(gòu)。
圖注：不同類型地震波在地下的傳播特點(diǎn)，圖中可見橫波無(wú)法在外核中傳播（速度為0），科學(xué)家們正是據(jù)此推測(cè)外核為液態(tài)。（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
像我們平常所見的水波、聲波、光波一樣，地震波也可以在不同介質(zhì)的界面上發(fā)生反射、折射和散射。水波遇到堤壩時(shí)會(huì)返回，地震波在遇到邊界面（例如地球表面）時(shí)也會(huì)發(fā)生反射。此次科學(xué)發(fā)現(xiàn)也正是應(yīng)用了地震波的這種反射特性。
當(dāng)發(fā)生里氏5.0級(jí)以上的地震時(shí)，震源處會(huì)向地球釋放大量的地震能量，這些能量以體波的形式向四處傳播。強(qiáng)烈地震（~7.0級(jí)）的P波可以經(jīng)過(guò)地核到達(dá)地球的另一邊，經(jīng)過(guò)地面反射之后返回。這些信號(hào)會(huì)被位于全球不同位置的2500多個(gè)地震監(jiān)測(cè)站接收，其中，震中距（地面觀測(cè)點(diǎn)和震源位置對(duì)地心的張角）在0°~40°范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最清晰和精確。
在本次研究中，研究人員綜合2003年發(fā)生在南美洲瑪麗亞機(jī)場(chǎng)的里氏7.0級(jí)地震，以及2008年發(fā)生在鄂霍次克海里氏7.3級(jí)地震數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地震波在被地球另一側(cè)的地面反射之前，會(huì)先經(jīng)過(guò)另一次反射。通過(guò)對(duì)比兩次反射信號(hào)返回的時(shí)間差，確定該反射面正是地下660km處的上-下地幔分界面。
圖注：地震波在到達(dá)地球的另一面之前，提前被660km處的上-下地幔分界面散射。紅星表示震源，藍(lán)三角表示接收器。
基于此，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步選取了1994年發(fā)生在玻利維亞的里氏8.2級(jí)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究人員精選了位于玻利維亞和秘魯之間震中距在2°~10°范圍內(nèi)的共16個(gè)地震監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，嘗試從中獲取上下地幔分界面的“精細(xì)”地形。
圖注：同一個(gè)震源發(fā)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會(huì)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（反射信號(hào)）將同時(shí)到達(dá)接收器，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為一個(gè)單一的能量峰值。如果表面粗糙有起伏，能量將被分散從而表現(xiàn)出不穩(wěn)定。
在排除了同一監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)余震對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響后，該團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)，在上下地幔的分界面上（亦稱“下地幔頂部”）存在1~3千米尺度的地形起伏。
探索地球的內(nèi)部
此前已有報(bào)道稱，科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)名為“國(guó)際海洋鉆探”的計(jì)劃，在海洋的地殼較薄處打穿地殼，進(jìn)入地幔。該項(xiàng)目于2015年12月底宣告成功。美國(guó)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)提取了地幔中不同深度的元素，并對(duì)其含量進(jìn)行對(duì)比，最后發(fā)現(xiàn)：氙-129和氙-130的同位素比例在地幔某個(gè)深度突然顯示出不符合預(yù)期的變化。
對(duì)于同一個(gè)天體，其內(nèi)部同位素的比值隨深度的變化關(guān)系一定是有規(guī)律可循的。氙的同位素比值在地幔中某個(gè)深度突然變得反常，說(shuō)明地球很可能不是一個(gè)完整的個(gè)體。也就是說(shuō)，在地球的地幔深處隱藏著一顆比地球更古老的“地球”。
地球與太陽(yáng)和太陽(yáng)系的其他天體相比，在元素豐度和同位素比值方面均存在差異。這些差異是由早期地球的巖石隔離形成的，還是由于原行星盤（年輕恒星外圍繞的濃密氣體，被認(rèn)為可發(fā)展成行星系統(tǒng)）的異質(zhì)性造成的，一直是糾纏于行星形成與當(dāng)前地球結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本問(wèn)題。
本次的研究將有助于回答地球起源與進(jìn)化的基本問(wèn)題。這種1-3km的下地幔地形起伏與我們?cè)诘厍蛏虾推渌行巧嫌^察到的地表地形非常類似，結(jié)合之前發(fā)現(xiàn)的下地幔的化學(xué)組成與上地幔的截然不同，以及某些區(qū)域上下地幔的混合程度的巨大差異（被解釋為上下地幔部分阻塞或不完全環(huán)流），我們有理由推測(cè)：下地幔似乎隱藏著早期地球形成的歷史遺跡。
或許地球一直在向我們?cè)V說(shuō)著關(guān)于它的前世今生，只是我們?nèi)祟愡€無(wú)法破解到它告訴我們的信息，就如同此次的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一樣。相信隨著科技手段的不斷完善，人類一定能揭開更多關(guān)于地球的秘密。
作者 | 丁寶明 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)博士
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