科学家在地幔中发现了隐藏的"大低震速区"

科学家在地幔中发现了隐藏的宝藏。地球地幔深处有两个大陆大小的区域被称为 LLSVPs，它们比周围环境更热、更古老、更坚硬，这与混合良好的地幔概念相矛盾。 地震学家利用地震数据揭示了这些古老的结构，显示它们由较大的矿物颗粒组成，并对火山活动等现象产生影响。

在地幔深处隐藏着两个巨大的"岛屿"，每个岛屿都有一个大陆那么大。 乌特勒支大学（Utrecht University）的最新研究发现，这些区域不仅比周围冰冷、下沉的构造板块"墓地"更热，而且年代久远--至少有5亿年的历史，甚至更久。

这些发现对人们长期以来认为地幔混合良好、流动迅速的观点提出了挑战--这一理论正受到越来越多的质疑。地球地幔中的流动比人们通常认为的要少。 这项研究最近发表在《自然》杂志上。

大地震会导致地球像敲钟一样振动，产生独特的音调，就像乐器一样。 地震学家通过分析这些振荡来研究地球的深层内部。 当这些音调遇到异常情况时，它们就会"走调"或变得不那么明显，从而提供有关内部隐藏结构的重要线索。

通过这种方式，地震学家将能够绘制出地球内部的图像，就像医院医生能够用 X 射线"看"穿你的身体一样。 上个世纪末，对这些振荡的分析表明，地球表面下存在着两个地下"超级大陆"：一个在非洲地下，另一个在太平洋地下，它们都隐藏在地球表面下两千多公里处。

LLSVPs 的位置以及地震波速度和阻尼的地球横截面示意图。 资料来源：乌得勒支大学

荷兰乌得勒支大学地震学家、地球内部深层结构与成分教授阿文-杜斯（Arwen Deuss）说："没有人知道它们是什么，也不知道它们是否只是暂时的现象，还是已经存在了数百万年甚至数十亿年。这两个大岛的周围是构造板块的墓地，这些构造板块是通过一个叫做'俯冲'的过程被传送到这里的，在这个过程中，一个构造板块俯冲到另一个板块的下面，从地球表面一直下沉到将近三千公里的深度。"

"我们多年来一直知道，这些岛屿位于地核和地幔的交界处。 我们看到地震波在那里变慢了"。因此，地球科学家将这些地区称为"大低震速区"或"LLSVPs"。"由于LLSVPs很热，所以波的速度减慢了，就像你在炎热的天气里跑得没有在寒冷的天气里快一样"。Deuss 和她的同事 Sujania Talavera-Soza 都很想知道他们是否能发现更多关于这些区域的信息。

"我们增加了新的信息，即所谓的地震波'阻尼'，也就是地震波在穿越地球时损失的能量。 为此，我们不仅调查了这些音调的失调程度，还研究了它们的音量。"

塔拉韦拉-索萨补充道："与我们的预期相反，我们在 LLSVP 中发现的阻尼很小，这使得音调听起来非常响亮。 但我们确实在冷板坯墓地发现了很多阻尼，那里的音调听起来非常柔和。 与此不同的是，在上地幔，我们发现了与我们预期完全相同的情况：那里很热，波浪受到了阻尼。 就像室外天气炎热时去跑步，不仅速度会减慢，而且会比室外寒冷时更累。"

他们的同事劳拉-科布登（Laura Cobden）专门研究我们在地球深处发现的矿物，她建议研究LLSVPs的粒度。 根据他们的美国同事乌尔里希-福尔（Ulrich Faul）的说法，温度本身并不能解释 LLSVPs 没有高阻尼的原因。

构造板块俯冲过程和地幔羽流从 LLSVP 上升的示意图。 在后者中，矿物颗粒比俯冲板块中的大。 资料来源：乌得勒支大学

Deuss："晶粒大小更为重要。 最终进入板块墓地的俯冲构造板块由小颗粒组成，因为它们在深入地球的过程中会发生再结晶。 晶粒小意味着晶粒数量多，因此晶粒之间的边界也多。 由于板坯墓地中的晶粒之间存在大量的晶粒边界，我们会发现更多的阻尼，因为波在穿过每个边界时都会损失能量。 LLSVPs 显示的阻尼很小，这意味着它们一定是由大得多的晶粒组成的。"

这些矿物颗粒不是一夜之间长成的，这只能说明一件事：LLSVPs 比周围的石板墓地要古老得多。 更重要的是：LLSVPs 的构造块大得多，非常坚硬。 因此，它们不参与地幔对流（地幔中的流动）。

因此，与地理书本上的知识相反，地幔也不可能是混合均匀的。毕竟，LLSVPs必须能够以某种方式在地幔对流中存活下来。

了解地幔对于理解地球的演变至关重要。

"地幔是推动所有这些现象的引擎。以地幔羽流为例，它是热物质的大气泡，像熔岩灯一样从地球内部深处升起，一旦它们最终到达地表，就会引发火山活动，比如在夏威夷地下。"我们认为，这些地幔羽流起源于LLSVPs的边缘。"

在这类研究中，地震学家善于利用真正的大地震引起的振荡，最好是发生在很深的地方的地震，如 1994 年玻利维亚大地震。

德乌斯解释说："这次地震从未见诸报端，因为它发生在 650 千米的大深度，幸运的是没有在地球表面造成任何破坏或人员伤亡。"

整个地球的振荡或音调都是用数学方式描述的，我们可以很容易地'读出'特定结构所产生的阻尼（即振荡的声音有多大），并将其与波速（即波速的失调程度）区分开来。

"这令人印象深刻，因为信号的阻尼只是我们能从这些振荡中揭示的信息总量的十分之一。"

对于这类研究，并不需要等到另一次地震发生。 以前的地震数据同样有用。"我们可以追溯到 1975 年，因为从那一年开始，地震仪变得足够好，可以为我们提供如此高质量的数据，这些数据对我们的研究非常有用。"

编译自/ScitechDaily