核心-地幔边界高分辨率图像揭示了地球深层内部特征

2022年05月22日 09:34 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由剑桥大学领导的新研究首次获得了在地表下约三千公里处跟地核交界层的一个不寻常的岩石区域的详细 “图像”。这个神秘的岩石区域几乎位于夏威夷群岛的正下方,是几个超低速区之一--所谓的超低速区是因为地震波在通过这些区域时慢到了极点。

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这项于当地时间5月19日发表在《自然通讯》杂志上的研究首次详细揭示了其中一个区域的复杂内部变化,并揭示了地球深层内部的景观和其中的运作过程。

“在所有的地球深层内部特征中,这些是最迷人和最复杂的,”剑桥大学地球科学系博士生Zhi Li说道,“我们现在有了第一个显示其内部结构的可靠证据--这是地球深处地震学的一个真正的里程碑。”

地球的内部像洋葱一样分层:中心是铁-镍核心,周围是被称为地幔的厚层,上面则是薄薄的外壳--我们生活的地壳。虽然地幔是固体岩石,但它的温度足以使其流动得极为缓慢。这些内部对流将热量输送到地表,并推动构造板块的运动和为火山爆发提供动力。

科学家们利用地震产生的地震波来“看了看”地球表面下的情况--这些地震波的回声和阴影揭示了类似雷达的深层内部地形的图像。但直到最近,核心-地幔边界结构的“图像”--一个研究我们星球内部热流的关键区域--却一直是颗粒状的,这难以解释。

研究人员使用了最新的数值建模方法来揭示地核-地幔边界的千米级结构。据研究论文的共同作者Kuangdai Leng博士介绍称,他在牛津大学时开发了这些方法,“我们真正推动了现代高性能计算在弹性动力学模拟方面的极限,并利用了以前没有注意到或没有使用过的波的对称性”。目前在科学和技术设施委员会工作的Leng表示,这意味着他们可以将图像的分辨率比以前的工作提高一个数量级。

研究人员观察到,在夏威夷地下超低速区的底部,地震波的传播速度降低了40%。这支持了现有的建议,即该区域含有比周围岩石多得多的铁--这意味着它的密度和速度更慢。来自剑桥地球科学的项目负责人Sanne Cottaar博士说道:“这种富含铁的材料有可能是地球早期历史上的古代岩石的遗留物,甚至有可能是铁通过一种未知的方式从地核泄漏出来。”

这项研究还可以帮助科学家们了解在夏威夷群岛这样的火山链的下面是什么并产生了什么。科学家们已经开始注意到,包括夏威夷和冰岛在内的被描述为热点火山的位置跟地幔底部的超低速区之间存在着关联。热点火山的起源一直有争议,但最流行的理论认为,梅花状的结构将热的地幔物质从地心-地幔边界一直带到表面。

由于现在掌握了夏威夷下面的超低速区图像,研究小组还可以从可能是为夏威夷提供食物的羽流的根部收集罕见的物理证据。他们对夏威夷地下密集的、富含铁质的岩石的观察将支持地表观察。Cottaar表示:“从夏威夷喷发出来的玄武岩具有异常的同位素特征,这可能指向早期地球的起源或核心泄漏,它意味着这些堆积在底部的致密物质中的一些必须被拖到表面。”

现在需要对更多的地核-地幔边界进行成像以了解是否所有的地表热点在底部都有一袋致密物质。在哪里及如何瞄准岩心-地幔边界取决于地震发生的地方及安装地震仪来记录地震波的地方。

研究小组的观察结果为越来越多的证据添加了内容,即地球的内部深处跟它的表面一样多变。Li说道:“这些低速区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,我们可能会在地核-地幔边界看到越来越多的复杂程度,包括结构和化学。”

现在,研究小组计划应用他们的技术来提高地核-地幔边界其他区域的成像分辨率并绘制新的区域。最终,他们希望绘制整个地核-地幔边界的地质景观并了解其跟我们星球的动态和进化历史的关系。

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