科学家首次揭示地球核心边界层的“图像”

地球各层的动画

由剑桥大学领导的一项新研究是第一个获得地球核心边界层（地表以下约三千公里）的一块不寻常的岩石口袋的详细“图像”。

这个神秘的岩石区域几乎位于夏威夷群岛的正下方，是几个超低速区域之一 ，这个区域地震波在穿过它们时会缓慢爬行。

这项研究于2022年5月19日发表在《自然通讯》杂志上，首次详细揭示了其中一个口袋的复杂内部变异性，揭示了地球深层内部的景观及其内部运作的过程。

“在地球所有深层的内部特征中，这些都是最迷人和最复杂的。

“在地球所有深层内部特征中，这些是最迷人和最复杂的。我们现在有了第一个确凿的证据来证明它们的内部结构 - 这是深部地球地震学的一个真正的里程碑，“主要作者，剑桥大学地球科学系博士生Zhi Li说。

地球内部像洋葱一样分层：在中心坐落着铁镍核心，周围是一层厚厚的地幔，上面是一层薄薄的外壳——我们赖以生存的地壳。虽然地幔是坚硬的岩石，但它足够热，可以非常缓慢地流动。这些内部对流向地表提供热量，驱动构造板块的运动并推动火山喷发。

科学家们利用地震产生的地震波来“看到”地球表面以下的地震波——这些波的回波和阴影揭示了深层内部地形的雷达状图像。但是，直到最近，核心 - 地幔边界处结构的“图像”，这是研究我们星球内部热流的关键兴趣领域，一直是颗粒状的，难以解释。

本研究中使用的事件和 Sdiff 射线路径。A） 剖面切开夏威夷超低速区中心，显示 96 、100 、110 和 120 的 Sdiff 波射线路径，用于 1D 地球模型 PREM。从上到下的虚线标记了410公里，660公里的不连续性和2791公里（核心 - 地幔边界上方100公里）。B）背景层析成像模型上的事件和Sdiff射线路径在2791公里深处SEMUCB_WM1。以不同颜色绘制的事件的沙滩球，包括20100320（黄色），20111214（绿色），20120417（红色），20180910（紫色），20180518（棕色），20181030（粉红色），20161122（灰色），台站（三角形）和Sdiff波的射线路径，在穿透深度2791 km处，在本文中使用的最低地幔中。短期分析中使用的事件以黄色突出显示。建议的 ULVZ 位置以黑色圆圈显示。虚线显示 A 中绘制的横截面，图片来源：Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30502-5

研究人员使用最新的数值建模方法揭示了岩心 - 地幔边界处的公里级结构。根据在牛津大学开发这些方法的合著者Kuangdai Leng博士的说法，“我们确实在推动现代高性能计算的极限，用于弹性动力学模拟，利用以前未被注意到或未使用的波对称性。目前在科学技术设施委员会工作的Leng说，这意味着与以前的工作相比，他们可以将图像的分辨率提高一个数量级。

研究人员观察到，在夏威夷地下超低速区底部行进的地震波的速度降低了40%。这支持了现有的建议，即该区域含有比周围岩石更多的铁 - 这意味着它更密集，更迟钝。“这种富含铁的材料可能是地球早期历史中古代岩石的残余物，甚至可能是铁可能以未知的方式从核心泄漏出来，”项目负责人Sanne Cottaar博士说。

夏威夷超低速区（ULVZ）结构的概念漫画。A）ULVZ在夏威夷羽流底部的核心 - 地幔边界（高度不是缩放）。B）放大建模的ULVZ结构，显示解释的被困后游标波（注意分析的波具有水平位移）。图片来源：Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30502-5

这项研究还可以帮助科学家了解下面有什么，并产生像夏威夷群岛这样的火山链。科学家们已经开始注意到描述性命名的热点火山的位置与地幔底部的超低速区域之间的相关性。热点火山的起源一直存在争议，但最流行的理论表明，羽流状结构将热地幔物质从核心 - 地幔边界一直带到地表。

有了夏威夷下方超低速区的图像，该团队还可以从可能喂养夏威夷的羽流根部收集罕见的物理证据。他们对夏威夷地下致密的富含铁的岩石的观察将支持地表观测。“从夏威夷喷发的玄武岩具有异常的同位素特征，可能指向早期地球起源或核心泄漏，这意味着堆积在底部的一些致密物质必须被拖到地表，”Cottaar说。

现在需要对更多的岩心- 地幔边界进行成像，以了解是否所有表面热点的底部都有一袋致密的物质。岩心-地幔边界的目标位置和方式确实取决于地震发生的位置，以及安装地震仪以记录波浪的位置。

该团队的观测结果增加了越来越多的证据，证明地球的深层内部与其表面一样多变。“这些低速带是我们在极端深度看到的最复杂的特征之一 - 如果我们扩大搜索范围，我们可能会在核心 - 地幔边界看到结构和化学的复杂性不断增加，”李说。

他们现在计划应用他们的技术来提高岩心 - 地幔边界处其他口袋的成像分辨率，以及绘制新区域。最终，他们希望绘制跨越核心 - 地幔边界的地质景观，并了解它与我们星球的动力学和进化历史的关系。

参考：“夏威夷附近核心-地幔边界上的公里尺度结构”，作者：Zhi Li，Kuangdai Leng，Jennifer Jenkins和Sanne Cottaar，2022年5月19日，Nature Communications。
DOI： 10.1038/s41467-022-30502-5