早期地球可能残留的化学物质位于地核附近

让我们踏上地球深处的旅程，深入地壳和地幔，接近地核。我们将使用地震波来指明方向，因为它们会在地震发生后通过地球产生回声，并像雷达波一样揭示其内部结构。

顺着核心附近，也有区，其中地震波速度变得非常缓慢。犹他大学的新研究发现，这些神秘且具有描述性名称的超低速区令人惊讶地分层。建模表明，其中一些区域可能是早期地球形成过程的残余物——不完全混合的残余物，就像一碗面糊底部的面粉团。

“在我们所知道的深部地幔的所有特征中，超低速带可能是最极端的，”地质与地球物理系副教授迈克尔 S.索恩说。“确实，这些是地球上任何地方发现的一些最极端的特征。”

该研究发表在《自然地球科学》上，由国家科学基金会资助。

进入地幔

让我们回顾一下地球内部的结构。我们生活在地壳上，这是一层薄薄的坚固岩石。在地壳和行星中心的铁镍核之间是地幔。它不是熔岩海洋——相反，它更像是坚硬的岩石，但很热，并且具有移动的能力，从而驱动地表的板块构造。

我们如何知道地幔和地核中发生了什么?地震波。地震后，当它们在地球上产生涟漪时，地表的科学家可以测量这些波浪如何以及何时到达世界各地的监测站。根据这些测量结果，他们可以反推这些波是如何被地球内的结构反射和偏转的，包括不同密度的层。这就是我们如何知道地壳、地幔和地核之间的边界在哪里——以及我们如何知道它们是由什么组成的。

超低速区位于地幔底部，液态金属外核的顶部。在这些地区，地震波减慢了一半，密度增加了三分之一。

科学家最初认为这些区域是地幔部分融化的区域，可能是冰岛等所谓“热点”火山区的岩浆来源。

“但我们称之为超低速区的大多数东西似乎并不位于热点火山下方，”索恩说，“所以这不可能是全部。”

因此，澳大利亚国立大学、亚利桑那州立大学和卡尔加里大学的博士后学者索恩·帕查伊 (Surya Pachhai) 及其同事着手探索另一种假设：超低速带可能是由不同岩石组成的区域，而不是其他区域。地幔——而且它们的成分可能会追溯到早期的地球。

或许，索恩说，超低速区可能是氧化铁的集合，我们认为它们在表面生锈，但在深部地幔中表现为金属。如果是这种情况，地核外的氧化铁袋可能会影响下方产生的地球磁场。

“超低速带的物理特性与其起源有关，”Pachhai 说，“这反过来又提供了关于地球最下地幔的热和化学状态、演化和动力学的重要信息——地幔对流的重要组成部分驱动板块构造。”

逆向工程地震波

为了获得清晰的图像，研究人员研究了澳大利亚和新西兰之间珊瑚海下方的超低速带。这是一个理想的位置，因为该地区发生了丰富的地震，提供了核心-地幔边界的高分辨率地震图像。希望高分辨率观测可以更多地揭示超低速区是如何组合在一起的。

但是通过近 1800 英里的地壳和地幔获得某物的地震图像并不容易。它也并不总是决定性的——一层厚厚的低速材料可能会像反射一层薄薄的低速材料一样反射地震波。

因此，该团队使用了逆向工程方法。

“我们可以创建一个包括超低波速度降低的地球模型，”Pachhai 说，“然后运行计算机模拟，告诉我们地震波形会是什么样子，如果这就是地球实际的样子。我们的下一步是将那些预测的录音与我们实际拥有的录音进行比较。”

经过数十万次模型运行，这种称为“贝叶斯反演”的方法产生了一个数学上稳健的内部模型，很好地理解了模型中不同假设的不确定性和权衡。

研究人员想要回答的一个特殊问题是超低速区域内是否存在内部结构，例如层。根据模型，答案是层很有可能。这是一个大问题，因为它展示了理解这些区域是如何形成的方式。

“据我们所知，这是第一次使用这种贝叶斯方法在这种细节水平上研究超低速区域，”Pachhai 说，“这也是第一项证明超低速区域内强烈分层的研究.”

回顾地球的起源

有可能的层是什么意思?

40 亿多年前，当致密的铁沉入早期地球的核心，而较轻的矿物漂浮在地幔中时，一个与火星大小相当的行星物体可能已经撞击到了这颗婴儿星球。碰撞可能将碎片抛入地球轨道，这些碎片可能后来形成了月球。它还显着提高了地球的温度——正如你对两颗行星相撞所期望的那样。

“结果，形成了大量的熔融物质，被称为岩浆海洋，”Pachhai 说。“海洋”由悬浮在岩浆中的岩石、气体和晶体组成。

海洋在冷却时会自我分类，致密的物质会下沉并堆积在地幔底部。

在接下来的数十亿年里，随着地幔的搅动和对流，致密层会被推成小块，表现为我们今天看到的分层超低速带。

“因此，主要和最令人惊讶的发现是，超低速区不是同质的，而是在其中包含强烈的异质性(结构和成分变化)，”Pachhai 说。“这一发现改变了我们对超低速带起源和动力学的看法。我们发现这种类型的超低速带可以用地球历史开始时产生的化学异质性来解释，但它们仍然不是经过 45 亿年的地幔对流，混合得很好。”

不是最后一句话

该研究提供了一些超低速带起源的证据，尽管也有证据表明其他超低速带的起源不同，例如正在下沉到地幔中的海洋地壳融化。但是，如果至少有一些超低速区是早期地球的遗留物，它们就会保留一些原本已经丢失的地球历史。

“因此，我们的发现提供了一种工具来了解地幔的初始热和化学状态，”Pachhai 说，“以及它们的长期演化。”

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