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假如地球是一个鸡蛋

2020-03-29 13:01:05 整理发布   转载来源:中科院之声  

目前,科学家们普遍认为,地球80%的成分是铁、硅、氧。在地球早期形成的过程中,比较重的铁下沉,形成了地核,比较轻的硅酸盐物质上浮,形成了地幔...《假如地球是一个鸡蛋

目前,科学家们普遍认为,地球80%的成分是铁、硅、氧。在地球早期形成的过程中,比较重的铁下沉,形成了地核,比较轻的硅酸盐物质上浮,形成了地幔。在距地表约2900公里深处,是地核与地幔的分界线(被称为核幔边界),正是因为有了这条分界线,地球内部才不是一片混沌。

假如地球是一个鸡蛋,地核是蛋黄,地幔是蛋清,核幔边界就是蛋清和蛋黄之间的过渡带(图1)。

图1 地球分层示意图(图片来源:中科院青藏高原所,基于Ed Garnero教授图片修改。)

这里是俯冲板块的“坟墓”

1914年,德国地球物理学家 Beno Gutenberg 利用地震观测波形首次发现了核幔边界。核幔边界是地球内部最神秘又复杂的区域,涉及地球内部大量物理化学现象。在物理性质上,核幔边界的地震波速度、密度、温度等都发生着急剧变化。同时,核幔边界与火山喷发、地震活动等有着密切的联系。比如夏威夷火山的形成,就是核幔边界的物质上升到了地表。

1999年,美国科学家 Rob Van der Voo在《自然》杂志发表文章时给核幔边界取了一个形象的名字——俯冲板块的“坟墓”。回到假如地球是一个鸡蛋的比喻,“不安分”的蛋壳(板块)互相挤压,蛋壳(板块)物质向蛋黄俯冲,却无法超越蛋清与蛋黄的边界,也就是核幔边界。

从早中生代(~250百万年)时期南半球冈瓦纳泛大陆初始裂解过程开始,青藏高原的形成经历了漫长的构造演化历史。当印度板块与欧亚大陆板块相遇,大量板块物质俯冲到地球深部,它们最终的归宿就是核幔边界(图2)。

因此,认识核幔边界温度和化学成分,是我们认识和理解地球内部动力学、地幔对流模式、全球构造运动、地磁场的周期性变化和地球的形成及演化等基础科学问题的关键。

图2 板块俯冲到核幔边界示意图(核幔边界之上约300km的区域被称为D”区,其上界面被称为D”间断面,此处原子的排列方式发生了变化。)(图片来源:中科院青藏高原所)

挖掘地震波里的“秘密”

印度-欧亚大陆碰撞带位于印度北部和青藏高原南部地区,古/新特提斯由南向北、太平洋由西向东同时俯冲,大量的板块物质下沉到了核幔边界。这些物质对地球深部产生怎样的影响,是地球科学家们研究的热点。

地震发生后,会产生地震波,特别是大地震,地震波能量很强,它能传播到地下2900公里深处,并在核幔边界发生反射,然后传播到地表,被地震仪接收,如图3中地震波ScS所示。从地震波产生到被地震仪接收,所用的传播时间,被称为地震波走时。基于地震波走时的全球层析成像方法常被用于研究核幔边界大尺度的速度结构(图4)。

图3 地震波ScS和S波射线路径示意图(图片来源:中科院青藏高原所)

近日,中国科学院青藏高原研究所碰撞隆升及影响团队白玲研究员及其团队成员首次对印度-欧亚板块碰撞带核幔边界顶部的精细结构进行了研究。

他们利用中国数字测震台网记录的印度洋地区8个地震的波形资料,使用观测和三维理论ScS波形互相关的方法,综合考虑地幔中地震波传播速度三维不均匀性的影响,拾取核幔边界之上约300公里的区域(D”区域)的地震波走时。

图4 全球层析成像图(黄色代表地核、蓝色代表核幔边界地震波速度较快区域、红色代表核幔边界地震波速度较慢区域。)(图片来源:Ed Garnero和Jeroen Ritsema教授)

研究团队发现,印度、西藏南部一带的核幔边界,在横向300公里的范围内,地震横波速度存在约3-7%的变化,明显大于前人利用层析成像法获得的0-1.5%的速度变化范围。如此剧烈的地震波异常,意味着该区域核幔边界存在化学异常或部分熔体(图5),而非此前认为的,该地区核幔边界结构好似纯净的冰水,主要受俯冲结构低温物质的控制。

图5 研究区地形图及核幔边界速度变化图(结果速度变化图中:蓝色为高速,代表俯冲结构,黄色为低速,代表化学异常体或熔体。)(图片来源:左图来自谷歌地球,右图来自中科院青藏高原所。)

该成果3月21日发表在《地球物理通讯》(Geophysical Research Letters)期刊上。


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