核心-地幔邊界高分辨率圖像揭示了地球深層內部特征

這項于當地時間5月19日發表在《自然通訊》雜志上的研究首次詳細揭示了其中一個區域的復雜內部變化，并揭示了地球深層內部的景觀和其中的運作過程。

“在所有的地球深層內部特征中，這些是最迷人和最復雜的，”劍橋大學地球科學系博士生Zhi Li說道，“我們現在有了第一個顯示其內部結構的可靠證據--這是地球深處地震學的一個真正的里程碑。”

地球的內部像洋蔥一樣分層：中心是鐵-鎳核心，周圍是被稱為地幔的厚層，上面則是薄薄的外殼--我們生活的地殼。雖然地幔是固體巖石，但它的溫度足以使其流動得極為緩慢。這些內部對流將熱量輸送到地表，并推動構造板塊的運動和為火山爆發提供動力。

科學家們利用地震產生的地震波來“看了看”地球表面下的情況--這些地震波的回聲和陰影揭示了類似雷達的深層內部地形的圖像。但直到最近，核心-地幔邊界結構的“圖像”--一個研究我們星球內部熱流的關鍵區域--卻一直是顆粒狀的，這難以解釋。

研究人員使用了最新的數值建模方法來揭示地核-地幔邊界的千米級結構。據研究論文的共同作者Kuangdai Leng博士介紹稱，他在牛津大學時開發了這些方法，“我們真正推動了現代高性能計算在彈性動力學模擬方面的極限，并利用了以前沒有注意到或沒有使用過的波的對稱性”。目前在科學和技術設施委員會工作的Leng表示，這意味著他們可以將圖像的分辨率比以前的工作提高一個數量級。

研究人員觀察到，在夏威夷地下超低速區的底部，地震波的傳播速度降低了40%。這支持了現有的建議，即該區域含有比周圍巖石多得多的鐵--這意味著它的密度和速度更慢。來自劍橋地球科學的項目負責人Sanne Cottaar博士說道：“這種富含鐵的材料有可能是地球早期歷史上的古代巖石的遺留物，甚至有可能是鐵通過一種未知的方式從地核泄漏出來。”

這項研究還可以幫助科學家們了解在夏威夷群島這樣的火山鏈的下面是什么并產生了什么。科學家們已經開始注意到，包括夏威夷和冰島在內的被描述為熱點火山的位置跟地幔底部的超低速區之間存在著關聯。熱點火山的起源一直有爭議，但最流行的理論認為，梅花狀的結構將熱的地幔物質從地心-地幔邊界一直帶到表面。

由于現在掌握了夏威夷下面的超低速區圖像，研究小組還可以從可能是為夏威夷提供食物的羽流的根部收集罕見的物理證據。他們對夏威夷地下密集的、富含鐵質的巖石的觀察將支持地表觀察。Cottaar表示：“從夏威夷噴發出來的玄武巖具有異常的同位素特征，這可能指向早期地球的起源或核心泄漏，它意味著這些堆積在底部的致密物質中的一些必須被拖到表面。”

現在需要對更多的地核-地幔邊界進行成像以了解是否所有的地表熱點在底部都有一袋致密物質。在哪里及如何瞄準巖心-地幔邊界取決于地震發生的地方及安裝地震儀來記錄地震波的地方。

研究小組的觀察結果為越來越多的證據添加了內容，即地球的內部深處跟它的表面一樣多變。Li說道：“這些低速區是我們在極端深度看到的最復雜的特征之一--如果我們擴大搜索范圍，我們可能會在地核-地幔邊界看到越來越多的復雜程度，包括結構和化學。”

現在，研究小組計劃應用他們的技術來提高地核-地幔邊界其他區域的成像分辨率并繪制新的區域。最終，他們希望繪制整個地核-地幔邊界的地質景觀并了解其跟我們星球的動態和進化歷史的關系。