地球深層地幔中神秘的巨大結構

在穿過地球內部的地震波揭示了具有獨特物理特性，規模如同大陸的區域。研究人員正在探究這些區域是什么、它們是如何形成的，以及它們在地球內部動態對流中所扮演的角色。

剪切波的異常低速輪廓凸顯了地球下地幔中的大型低速體

在我們腳下大約3000公里的深處，接近地球中心的一半位置，是固體巖石地幔和外核（主要由液態鐵構成）之間的邊界。小學課本通常會把地球內部描繪成由地殼、地幔、外核和內核組成的簡單、色彩鮮艷的同心球層結構。然而，近期的研究極大地改變了這種簡單化的觀點，它們揭示出地幔底部、核幔邊界頂部存在兩個巨大的異常結構。這兩個異常結構分布在地球幾乎相對的兩側：一個位于太平洋洋底之下，另一個則位于非洲西部及大西洋部分地區的下方。

這兩個結構體的規?？氨却笮痛箨懀糠謪^域垂直延伸到地幔之中，深度超過1000公里。這些巨大的地貌被稱為大型低速體（LLVPs），其主要特征是地震波——包括剪切波和壓縮波（通常分別稱為S波和P波）——在穿過它們時速度顯著降低。地震波的傳播速度取決于所穿過介質的組成和溫度。例如，加熱巖石會減緩地震波的速度，而冷卻巖石則會使地震波速度加快。因此，地震波速度變化分布圖（圖1）可以用于推測地球內部的性質。

地球內部深處的地震圖像是逐步揭示其特征的基礎。通過詳細研究穿過地球的振動，科學家得以不斷加深對地球內部性質的認識。地震研究使學者對諸多現象有了更深入的理解，包括內部對流、地幔柱、俯沖到下地幔的構造板塊的命運、行星的地球化學循環、從地核流向地幔并產生磁場的熱量、地球的演化，甚至是超大陸旋回等。

通過研究深入地幔的地震波，研究人員觀察到大型低速體的邊緣在地震學視角上是“陡峭”的——也就是說，地震波從周圍地幔巖石傳播到大型低速體時的速度減慢發生在相對較短的橫向距離內。這種現象似乎與單純的熱效應解釋不相符，因為如果大型低速體僅由熱效應引起，從周圍下地幔到大型低速體的波速過渡應更為平緩。因此，目前對大型低速體成因的解釋大多集中在其物質成分上，認為該區域的物質成分與周圍的下地幔巖石不同，因而產生的波速要低得多。

緩慢的發現歷程

大型低速體的發現并非一蹴而就，而是全球研究人員經過數十年的研究逐步揭示的成果。最早期的研究使用了一種被稱為地震層析成像的方法，這種方法與醫學斷層成像類似，利用穿過目標介質（即地球地幔）多達數百萬次的地震波描繪地球的內部結構。層析成像揭示了地震波在極大范圍內速度降低的證據（例如，波速在大約1萬公里范圍內的平滑變化），這導致研究人員起初認為這些區域的巖石溫度可能更高。今天，研究人員仍在通過層析成像不斷了解地幔深處非均質性的細節，完善對其的認識。

大約20年前，地震學家在研究穿過地幔最深處的能量脈沖時，發現地震波形中存在一個額外的“凸起”，這是由地震波在大型低速體陡峭邊緣兩側的運動產生的。這一“凸起”的波形首次暗示大型低速體與周圍的地幔構成不同。這一發現還表明，構成大型低速體的物質密度必然高于其取代的典型地幔巖石，否則，它們就會被地幔對流卷走、沖向上方。

密度取決于溫度和成分。一些密度較大的巖石（例如含鐵量較高的巖石）可能會降低穿過自身的地震波波速，因為波速同時受到密度和材料強度的影響。大型低速體長期穩定地存在于熾熱地核上方的位置，它們的高溫本應使它們密度變低。但大型低速體的物質構成帶來的密度上升可能超過了高溫導致的密度降低。目前，大型低速體的密度仍是一個活躍的研究領域。

從地面望遠鏡到哈勃和詹姆斯 · 韋布空間望遠鏡，技術的進步使得遙遠星系的圖像變得更為清晰；與之類似，地震成像技術的改進也使地球內部的細節變得更加分明。全球各地不斷增長的地震傳感器數量極大地促進了這一技術的進步。地震成像和用于人體的超聲波及核磁共振成像技術一樣，分布均勻的傳感器記錄的交錯能量密度越大，成像能力就越強。計算工具的改進也推動了地震成像技術的發展。

目前的地震成像表明，正如大型大陸的海岸線具有特定形狀和不同細節一樣，大型低速體也呈現出錯綜復雜、凹凸不平的三維形態，與早期成像中顯示的平滑結構有著顯著的差異。例如，非洲大型低速體在地幔中延伸得比太平洋大型低速體更遠、更高。這表明，兩個異常區域在密度結構甚至化學組成上可能存在差異。

大型低速體周圍的對流強度也可能不同。地幔深處的對流強度主要受俯沖作用控制，也就是構造板塊在變得足夠冷且密度足夠大時下沉到地球內部的過程。當板塊落入地幔時，與俯沖相關的下沉流隨構造板塊的運動速度、位置和密度而有所變化。

大型低速體的形狀與周圍的動態地幔密切相關。在當代建模能力的加持下，可以看到地震圖像中大型低速體的特征變得越來越精細。然而，由于全球地震儀和地震分布不均，造成內部取樣的不均勻，因此成像仍然存在局限性。

從大型低速體中了解更多

隨著大型低速體地震成像技術的不斷改進，學者愈發認識到它們在人類理解地球45億年歷史中的動力學和礦物學性質時的重要性。在最早期的大型低速體成像中，低分辨率的平滑結構被認為完全是大規模地幔對流引起的溫度變化導致的結果。地幔中的對流就像一鍋沸水中的對流：冷物質下沉，熱物質上升。然而，地幔主要由固體巖石組成，因此對流極為緩慢，通常發生在數百萬年的時間尺度上。

當構造板塊（通常簡稱為“板塊”）從地表經由俯沖帶下沉到地球內部時，其周圍的地幔會被向下拉動（圖2）。一旦這些板塊到達地幔底部，它們就會沿核幔邊界橫向對流，向溫暖的上涌區域移動。這些較暖的區域被認為是炙熱地幔柱的發源處，而地幔柱會穿過整個地幔上升，導致大型低速體上方（如夏威夷）發生熱點火山活動。20世紀80年代和90年代的層析成像中發現了地震波速度降低的現象，為大型低速體生成熱地幔柱的模型提供了支持。

然而，自人們從21世紀初探測到大型低速體的陡峭邊界以來，關于其組成物質的主流假說就從單純的熱差異導致轉變為在熱力和成分上均有別于周圍地幔的模型。這一假說對揭示地幔的動態行為和成分具有重要意義，至今仍是主流觀點。

如果地幔底部存在任何成分不同的物質，它們也會受到地幔對流作用的影響，被卷向對流上涌區域。如果這些物質的密度高于周圍地幔，它們會停滯在上涌流的下方，形成物質堆積。過去1.2億年的地幔對流熱化學模擬結果與這些化學堆積位置的地震學發現結果相一致。因此，長期存在、化學成分獨特的大型低速體可能包含著地球早期歷史的化學特征。

由于對流會將這些堆積物中的少量物質卷入地幔柱，堆積物可能會被逐漸侵蝕。地幔柱將這些物質中的一部分輸送到地表，在熱點火山噴發中以微量元素同位素異常的形式顯現。事實上，熱點火山的位置以及地球上最大火山噴發的初始位置（這造成了巨量的火成巖堆積）大多覆蓋了大型低速體的邊緣。這些位置與大型低速體邊緣上升的地幔柱的地球動力對流模型預測是一致的。成分不同于地幔的大型低速體還會改變從地核流向地幔的熱流模式，從而影響液態外核中的對流，而這些對流會生成地球的磁場。

盡管現代的地震成像技術已經回答了許多有關大型低速體的問題，但隨著新圖像的出現，更多問題也隨之而來。例如，人們發現，大型低速體頂部可能延伸出寬闊的大規模上涌流。這些上涌流在過去的文獻中被稱為“超級地幔柱”；然而，層析成像僅僅提供了異常地震波速模式的時間快照，要評估物質是上升、下沉還是處于中性浮力狀態，還需要對流實驗。

另一種有趣的可能性與超大陸旋回有關。超大陸旋回指的是諸如盤古大陸這樣的超大陸在數億年間反復聚合和分離的現象。地幔對流模型顯示，在超大陸旋回期間，成分不同于地幔的大型低速體會在超大陸的對側合并，并在超大陸分離時變回兩塊位于地球對側的堆積。

向上平流的大型低速體碎片是否最終形成了地表的大規?；鸪蓭r堆積？兩座大型低速體是否由相同的物質構成？大型低速體是否會隨著時間的推移沿核幔邊界遷移？這些問題仍是當前研究的熱點。

來自地球還是地外？

如果一個對流系統因成分或溫度效應產生了足夠大的密度擾動，那么異常結構既可能存在于頂部，也可能存在于底部——浮力較大的物質在頂部，密度較高的物質在底部。這些物質會隨著時間的推移與背景物質混合到一起。"因此，對于成分不同于地幔的大型低速體的起源，有兩種假設，一種是它們隨著時間的推移從致密物質的積累中緩慢生長，另一種是它們在地球形成時或形成后不久迅速成形。

地球早期，巖漿海逐漸冷凝結晶形成地幔的過程可能促進了大型低速體的形成：密度較大的礦物會首先結晶并下沉到地幔底部，它們可能在那里經歷了后續的化學變化。

有關大型低速體是緩慢形成的致密結構這一假設，人們多年以來也提出了幾種可能性。其中之一是，它們由含鐵量較高、密度較大、原本是海洋地殼的俯沖板塊在地質時間尺度上逐漸積累而成。最外層的地核也可能通過跨越核幔邊界的化學交換過程，促成地幔最深處的異常物質形成。例如，最近的一項研究表明，在海洋地殼俯沖到核幔邊界后，其中儲存的氫可以與地核中的碳進行交換。這一過程所發生的體積范圍可能比大型低速體小得多，但它可以解釋一些名為超低速區的小規模地貌的起源，這些超低速區同樣位于核幔邊界上方，地震波在穿過它們時呈現出極低的速度。

根據推測，在地球歷史的早期，即太陽系形成后不久，一顆火星大小的行星“忒伊亞”（Theia）與原始地球發生碰撞，形成了月球。因此，月球可能同時包含來自地球和忒伊亞的物質。而由于月球的體積僅占假設中忒伊亞體積的很小一部分，“忒伊亞的其余部分去了哪里？”這一問題就為地球上大型低速體的起源提供了一種有趣的可能性?？茖W家提出了一個假設：地球上那巨大的下地幔異常結構可能是致密的忒伊亞殘留物，換句話說，大型低速體可能起源于地外。如果在太陽系早期階段，行星碰撞是常見現象，那么考慮撞擊體的殘余物是否也存在于其他行星中無疑是一個有趣的問題。

改進我們的地震成像技術

盡管我們如今已經了解了大型低速體的大尺度形狀，但要進一步聚焦于其精細結構仍然面臨挑戰。我們正在利用地震波對地表以下深達3000公里處的巨大結構進行成像，而這些地震波對地球內部的采樣并不完美。地震層析成像通過這些波來描繪地幔中波速非均質性的圖像。它和醫學斷層成像（如CT/CAT掃描）使用了相同的方法，但存在幾個關鍵差異。首先，醫學斷層成像中的能量源位置和記錄位置是可控的。其次，可以根據需要對能量進行冗余管理。

在深層地球成像中，作為能量源的地震分布極不均勻。此外，地震傳感器主要分布在陸地上，并且間距不規則，部分大陸分布的儀器非常稀少。因此，地震成像的效果因地理位置而異。話雖如此，不同研究團隊得出的大型低速體模型仍然相當一致，尤其是在較長尺度的特征上（1000公里或以上）。然而，在包括大型低速體的具體屬性和超低速區等小尺度特征（小于1000公里）上，各個模型之間存在差異，這可能是由于使用的數據量、數據類型以及成像方法的不同造成的。

通過在全球范圍內，特別是在海洋和儀器稀少的大陸地區增加地震傳感器的分布，可以使不同層析成像所得出的精細結構更為一致。同時，整合一些成像時較少使用但具有多次反射特性的地震波（圖3）也可以進一步提高成像覆蓋率，而無須投入大量時間、人力和資金以部署更多傳感器。

圖3 由地球表面底部（左）和核幔邊界（右）折射和反射形成的地震波回波，為地幔下半部提供了額外的采樣，大型低速體就位于此處。成像采用的是地震（星）和接收器位置之間的S波，以其射線路徑顯示。地震學家通常分析的射線路徑包括直接S波、衍射S波、在地震和接收器之間反射一次的S波以及在核幔邊界上反射一次及兩次的S波。具有更多反射次數的波并不常用 ，但在數據中也存在。測量所有可用的S波和P波能夠改進深層地球的層析成像

地震是地幔地震成像的主要能量來源。每年大約發生140～150次6級或更大的地震，每一次都可以用于地幔深處的地震成像研究。數以千計的地震傳感器提供了開放獲取的數據，每次地震都有多達幾十種獨特地震波可以測量：這些波會從地表底側和核幔邊界多次反射（圖3）。這其中的許多波并非用于常規層析成像，但完全可以被納入分析。

可用于地球成像的信息量正在持續增長，目前，我們已完成了數百萬次地球測量。內部采樣的密集化將使大型低速體的分辨率不斷提升。然而，處理如此龐大的數據量也是一個挑戰。不久之前，地震學家還需要親自查看并手動測量所有數據。而如今，隨著地震事件和觀測記錄的不斷增加，從數百萬次的地震波中記錄下的數據已經多到人類無法逐一查看。

處理如此大量的數據只能依賴軟件，因此科學家正逐步采用自動化、機器學習和人工智能進行分析。盡管這大大增加了可用測量數據的數量，但也可能引入誤差。如何訓練算法以區分高質量和低質量數據也是一個活躍的研究領域。

地震成像提供了地球內部的今日快照。要將其置于地球時間演化的背景下，并提取有關地球化學和礦物學的有意義信息，就必須展開跨學科研究。地球動力學家使用動態流動模擬預測地球內部的溫度和成分模式。礦物物理學家研究地球內部的礦物學特征，并在高壓實驗室實驗中再現這些成分。通過將這些分析與噴發熔巖的化學機制、地球磁場的生成與性質以及地表構造運動的知識等相結合，我們正逐步深入了解地球地幔深處那巨大的大型低速體的起源、演化，以及它們與重要地表現象之間的關系。

資料來源"Physics Today