25年前的一次特大地震,揭示了地球深处的空间与时间

地球的结构通常被我们分为三层——地壳、地幔、地核;有时,地核又会被细分为内核与外核。这种划分并没有什么错,但却会将科学家已在地球内部确认的其他几层遗漏在外,例如在占地球体积84%的地幔内部还有着所谓的过渡带。

地球的结构通常被我们分为三层——地壳地幔地核;有时,地核又会被细分为内核外核。这种划分并没有什么错,但却会将科学家已在地球内部确认的其他几层遗漏在外,例如在占地球体积84%的地幔内部还有着所谓的过渡带……

25年前的一次特大地震,揭示了地球深处的空间与时间


○ 研究发现,位于410公里以下的过渡层顶部总体上是平滑的,但位于660公里以下的过渡层底部的某些地方却比地球表面粗糙得多,有着比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更加陡峭的地形。| 图片来源:Kyle McKernan

1. 25年前的大地震

今天的故事要从25年前说起。1994年6月9日,玻利维亚发生了一次特大的地震,这是自有记录以来的排名第二大的深源地震——里氏震级高达8.2级。如此巨大的地震所带来了的灾难往往是毁灭性的,或许稍微值得安慰一点的是,这样的地震并不经常发生。

但是,地震能留下一些让科学家感兴趣的信息。地震能产生地球上最强大的波——地震波,研究人员可以利用这些地震波对地球的内部进行观测。若要对地球的更深处进行观测,他们需要那些能让整个地球都为之震动的最强地震波。

与过去相比,现在从事地理科学的研究人员要幸运得多——他们有着比20年前多得多的地震检波器;而且在仪器和计算资源方面,地震学也早已不可同日而语。现代的地震学家和数据科学家可以使用强大的计算机,来模拟在地球深处的散射波的复杂行为。

2. 地下660公里处的山脉

在最近的《科学》期刊上,刊登了一项由地球科学家吴文波倪四道Jessica Iring共同发表的新研究,他们运用1994年的玻利维亚大地震和一些其他大地震所产生的散射波数据,发现了处于地底660公里以下的过渡层底部的山脉和其他地形!这个过渡层将上地幔和下地幔分隔了开来。目前,研究人员还没有给这个过渡层一个正式的名称,只是简单地称之为“660公里边界”。

大地震比小地震的威力要强大得多。里氏震级每上升一级,地震能量就会增加30倍。对于深源地震来说,它们的能量不会消散在地壳之中,而是能够传到整个地幔中。在这项研究中,研究人员取用的所有数据都是来自于震级在7.0级以上的地震因为由这些地震向各个方向发出的冲击波,可以成功地穿过地核抵达地球的另一端后再返回来。1994年的玻利维亚大地震的地震波是这次研究的关键数据来源。

3. 散射波

研究中所涉及的技术强烈依赖于波的一个基本特性,那就波的弯折与反弹的能力。就像光波能从镜面反弹回来(反射),在通过棱镜时发生弯折(折射)一样,地震波在均质岩石中会笔直穿行,然后当遇到任何边界或粗糙的地方时会发生反射或折射。

几乎所有的物体都具有表面粗糙度,因此会对光线进行散射,从而让我们可以看见这些物体。新论文的第一作者是吴文波博士,他说:“散射波携带着有关表面粗糙度的信息。在这项研究中,我们正是研究了在地球内部传播的散射地震波,来确定地球660公里边界处的粗糙度。”

这个边界有着令人惊讶的粗糙程度!它比我们生活的地球表层还要粗糙。换句话说,在地下660公里的边界上,有着比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更加陡峭的地形存在。他们的统计模型无法进行精准的高度判定,但他们推测,这些山脉可能比地球表面的任何东西都大。

与地壳表面有平滑的海床又有巨大的山脉一样,660公里边界的粗糙度也呈不均匀的分布,它既有高低起伏的区域也有许多平滑的区块。研究人员对地下410公里的地幔内部过渡层的顶部也进行了考察,并没有发现类似的粗糙度。

4. 地幔中的热量传播争议

这是一项非常了不起的发现。要知道,仅通过穿过整个地球再返射回的地震波,就能在地下660公里深的边界上发现1~3公里的高度变化是非常不容易的。他们的发现表明,随着地震仪器变得越来越成熟复杂,科学家将有机会利用地震散射波,去探索那些更小尺度的起伏,从而揭示出更多与地球层有关的新特征。

在660公里边界上存在粗糙度一事,对于理解地球如何形成以及如何持续运行有着重要的意义。这个过渡层将地幔分为上下两个部分。多年以来,这一过渡层的重要性一直是地球科学家争论的话题。尤其是当他们在研究热量在地幔的传播时——到底是炽热的岩石从地核-地幔边界(大约在地下2890公里)被一路转移到地幔顶部,还是热量的转换会在这个过渡层里中断。

关于这个问题,有一些地球化学和矿物学证据显示,上地幔和下地幔的化学组成上是不同的,这种结果支持了上地幔和下地幔不会发生热力学或物理上的混合的观点。但还有一些观测结果表明,上地幔和下地幔之间兵没有化学差异,因此有一部分人提出“混合良好的地幔”的概念,也就是上地幔和下地幔会参与相同的热传递循环中去。

新的发现为这个问题提供了更加深入的见解。他们的数据表明,这两种观点可能都没有错,它们都具有部分的正确性:660公里边界上较平坦的区域可能是由于更彻底的垂直混合形成的,而较粗糙的山区可能是由于上地幔和下地幔的不混合形成的。

5. 回望遥远的地球历史

此外,从理论上说,研究人员在660公里边界发现的大、中、小的不同尺度的粗糙度,可以是由热异常或化学异质性所引起的。但是吴博士认为,热量在地幔内部的这种传输方式,能使得任何小规模的热异常都在几百万年内被消除干净。照这样来看,只有化学差异可以用来解释研究中发现的小尺度的粗糙度。

什么能导致显著的化学差异呢?曾经属于地壳的岩石,现在静静地躺在地幔中……长期以来,在俯冲带被推入地幔的海床板块的命运一直是科学家想要知道的。现在,研究人员认为,这些板块的残余物可能就在660公里边界的顶部或底部。

地球物理学家Irving说:“考虑到我们只能探测目前传播于地球内部的地震波,我们很容易假设地震学家无法帮助我们理解在过去的45亿年里地球内部是如何变化的。而这些结果令人兴奋之处就在于,它们为我们提供了新的信息,可以帮助我们了解已经下沉到地幔中的古代构造板块的命运,还有古代地幔物质仍然可能存在于什么地方。”

她说:“地震学最令人兴奋的是,它可以让我们更好地了解地球内部的空间与时间。”

编译:二宗主

参考链接:

https://www.princeton.edu/news/2019/02/14/massive-1994-bolivian-earthquake-reveals-mountains-660-kilometers-below-our-feet

http://science.sciencemag.org/content/363/6428/736

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