地理縱橫

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假如地球是一個雞蛋
發布時間:2020-08-14     作者:劉曉倩 李國輝   來源:學習強國   分享到:

目前,科學家們普遍認為,地球80%的成分是鐵、硅、氧。在地球早期形成的過程中,比較重的鐵下沉,形成了地核,比較輕的硅酸鹽物質上浮,形成了地幔。在距地表約2900公里深處,是地核與地幔的分界線(被稱為核幔邊界),正是因為有了這條分界線,地球內部才不是一片混沌。假如地球是一個雞蛋,地核是蛋黃,地幔是蛋清,核幔邊界就是蛋清和蛋黃之間的過渡帶(圖1)。

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圖1 地球分層示意圖(圖片來源:中科院青藏高原所,基于Ed Garnero教授圖片修改。)

這里是俯沖板塊的“墳墓”

1914年,德國地球物理學家 Beno Gutenberg 利用地震觀測波形首次發現了核幔邊界。核幔邊界是地球內部最神秘又復雜的區域,涉及地球內部大量物理化學現象。在物理性質上,核幔邊界的地震波速度、密度、溫度等都發生著急劇變化。同時,核幔邊界與火山噴發、地震活動等有著密切的聯系。比如夏威夷火山的形成,就是核幔邊界的物質上升到了地表。

1999年,美國科學家 Rob Van der Voo在《自然》雜志發表文章時給核幔邊界取了一個形象的名字——俯沖板塊的“墳墓”。回到假如地球是一個雞蛋的比喻,“不安分”的蛋殼(板塊)互相擠壓,蛋殼(板塊)物質向蛋黃俯沖,卻無法超越蛋清與蛋黃的邊界,也就是核幔邊界。

從早中生代(~250百萬年)時期南半球岡瓦納泛大陸初始裂解過程開始,青藏高原的形成經歷了漫長的構造演化歷史。當印度板塊與歐亞大陸板塊相遇,大量板塊物質俯沖到地球深部,它們最終的歸宿就是核幔邊界(圖2)。

因此,認識核幔邊界溫度和化學成分,是我們認識和理解地球內部動力學、地幔對流模式、全球構造運動、地磁場的周期性變化和地球的形成及演化等基礎科學問題的關鍵。

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圖2 板塊俯沖到核幔邊界示意圖(核幔邊界之上約300km的區域被稱為D”區,

其上界面被稱為D”間斷面,此處原子的排列方式發生了變化。)

(圖片來源:中科院青藏高原所)

挖掘地震波里的“秘密”

印度-歐亞大陸碰撞帶位于印度北部和青藏高原南部地區,古/新特提斯由南向北、太平洋由西向東同時俯沖,大量的板塊物質下沉到了核幔邊界。這些物質對地球深部產生怎樣的影響,是地球科學家們研究的熱點。

地震發生后,會產生地震波,特別是大地震,地震波能量很強,它能傳播到地下2900公里深處,并在核幔邊界發生反射,然后傳播到地表,被地震儀接收,如圖3中地震波ScS所示。從地震波產生到被地震儀接收,所用的傳播時間,被稱為地震波走時。基于地震波走時的全球層析成像方法常被用于研究核幔邊界大尺度的速度結構(圖4)。

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圖3 地震波ScS和S波射線路徑示意圖(圖片來源:中科院青藏高原所)

近日,中國科學院青藏高原研究所碰撞隆升及影響團隊白玲研究員及其團隊成員首次對印度-歐亞板塊碰撞帶核幔邊界頂部的精細結構進行了研究。

他們利用中國數字測震臺網記錄的印度洋地區8個地震的波形資料,使用觀測和三維理論ScS波形互相關的方法,綜合考慮地幔中地震波傳播速度三維不均勻性的影響,拾取核幔邊界之上約300公里的區域(D”區域)的地震波走時。

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圖4 全球層析成像圖(黃色代表地核、藍色代表核幔邊界地震波速度較快區域、

紅色代表核幔邊界地震波速度較慢區域。)

(圖片來源:Ed Garnero和Jeroen Ritsema教授)

研究團隊發現,印度、西藏南部一帶的核幔邊界,在橫向300公里的范圍內,地震橫波速度存在約3-7%的變化,明顯大于前人利用層析成像法獲得的0-1.5%的速度變化范圍。如此劇烈的地震波異常,意味著該區域核幔邊界存在化學異常或部分熔體(圖5),而非此前認為的,該地區核幔邊界結構好似純凈的冰水,主要受俯沖結構低溫物質的控制。

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圖5 研究區地形圖及核幔邊界速度變化圖(結果速度變化圖中:

藍色為高速,代表俯沖結構,黃色為低速,代表化學異常體或熔體。)

(圖片來源:左圖來自谷歌地球,右圖來自中科院青藏高原所。)


該成果3月21日發表在《地球物理通訊》(Geophysical Research Letters)期刊上。

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