地球核心周圍巨大『島嶼』構造比我們想象中更古老、更神秘

地球 02-04

近期一項針對地球核心附近巨大『島嶼』構造的研究，讓圍繞它們的謎團愈發深厚。這項研究不僅表明這些構造極為古老，還可能改變我們對地球地幔的既有認知。

在地球地幔最底層、環繞地球核心的區域，位於非洲和太平洋下方，有兩個巨大的團塊，它們佔據了地球約3%至9%的體積。

當然，至少在不被燒成灰燼，也無需與地底人奮力搏鬥的情況下，並沒有直接觀測地球核心的辦法。不過，我們可以運用一種名為地震層析成像的技術，藉助地震來有效探測地球內部情況。

地震發生時，地震波會向四面八方傳播。透過在地表多個地點測量震動情況，科學家就能繪製出地球內部的地圖。由於地球內部的岩石和液體密度不同，地震波在其中傳播的速度也不一樣，這使得地質學家能夠判斷地震波所穿過的物質型別。

20世紀70年代末，人們發現了兩個奇特的大型構造，被稱為大型低剪下波速省（LLSVPs）。在這些有時被稱作『團塊』的區域，地震波傳播速度比在周圍的下地幔中更慢。

研究合著者、烏得勒支大學的阿爾文·杜斯在一份宣告中表示：『多年來我們都知道，這些「島嶼」位於地球核心與地幔的邊界。而且我們觀察到地震波在那裡減速。』她還說：『地震波減速是因為大型低剪下波速省溫度較高，就好比在炎熱天氣裡，你的跑步速度比不上天氣涼爽的時候。』

在非洲下方，被稱為『圖佐』的區域高度約800公里（497英里），差不多相當於90座珠穆朗瑪峰的高度。

杜斯補充道：『沒人知道它們究竟是什麼，也不清楚它們只是暫時現象，還是已經在那裡存在了數百萬年，甚至數十億年。這兩個巨大的「島嶼」被一個構造板塊的「墓地」環繞，這些構造板塊是透過一種叫做「俯衝」的過程被帶到那裡的。在「俯衝」過程中，一個構造板塊會俯衝到另一個板塊之下，從地球表面一直下沉到近三千公里的深處。』

那麼，它們到底是什麼呢？遺憾的是，我們仍不完全確定，不過已有一些合理的推測。鑑於這些物體的密度比周圍地幔更大，人們推測它們由不同物質構成，只是還無法確切知曉具體成分。一個主流假說是，大型低剪下波速省是數十億年來俯衝並堆積的大洋地殼。另一個稍有趣味的理論是，這些碎塊來自一顆古老行星。

忒伊亞是一顆假設中與火星大小相近的行星，大約在45億年前撞擊了地球，撞擊丟擲的岩石足夠形成月球。有人認為，這些團塊實際上就是忒伊亞本身的碎片：這顆原行星密度較大的地幔在碰撞過程中與地球地幔混合在了一起。2021年，一個研究團隊對這一情景進行了模擬，發現只要忒伊亞的地幔密度比地球地幔大1.5%至3.5%，就能夠留存下來。

在這項新研究中，團隊嘗試用新方法進一步探究這些團塊。

烏得勒支大學的合著者蘇哈尼亞·塔拉韋拉 - 索薩解釋道：『我們加入了新資訊，即地震波的「阻尼」，也就是地震波在地球內部傳播時損失的能量。為了做到這點，我們不僅研究了地震波的頻率偏差，還研究了它們的振幅。出乎我們意料的是，我們發現大型低剪下波速省的阻尼很小，這使得那裡的地震波聲音聽起來很大。但在冷板塊「墓地」，我們發現有大量阻尼，那裡的地震波聲音聽起來很微弱。而上地幔的情況正如我們預期：溫度較高，地震波有阻尼。』

僅靠溫度無法解釋地震波傳播速度的差異。據研究團隊稱，更重要的是構成這些區域物質的顆粒大小。

麻省理工學院的合著者烏爾裡希·福爾補充說：『最終進入板塊「墓地」的俯衝構造板塊由小顆粒組成，因為它們在深入地球的過程中會重新結晶。顆粒尺寸小意味著顆粒數量多，顆粒間的邊界也就更多。由於板塊「墓地」中顆粒間存在大量邊界，我們發現那裡的阻尼更大，因為地震波每穿過一個邊界都會損失能量。大型低剪下波速省阻尼極小，這意味著它們必定由大得多的顆粒組成。』

研究發現大型低剪下波速省含有大顆粒。（圖片來源：烏得勒支大學）

研究團隊認為，大顆粒尺寸表明大型低剪下波速省是古老且相當堅硬的結構，不參與地幔對流。他們還表示，這意味著地幔的混合程度可能並不像我們之前認為的那麼好。塔拉韋拉 - 索薩補充道：『畢竟，大型低剪下波速省必須以某種方式在地幔對流中留存下來。』

如果這一觀點正確，可能會改變我們對地幔的理解，以及對火山和山脈形成方式的認識。

杜斯補充說：『地球地幔是驅動所有這些現象的引擎。例如地幔柱，它們是從地球深部內部上升的巨大熱物質氣泡，就像熔岩燈裡的那樣。我們認為這些地幔柱起源於大型低剪下波速省的邊緣。』

儘管我們不確定這些團塊究竟是什麼，也永遠無法直接看到它們，但更多關注阻尼以及地球內部發生的其他振盪現象，或許能提供更多線索。幸運的是，進行這類研究無需等待更多地震發生：自20世紀70年代以來地震儀收集的資料，可能足以用於進一步研究地球內部。

這項研究發表在《自然》雜誌上。