地球的結(jié)構(gòu)通常被我們分為三層——地殼、地幔、地核；有時，地核又會被細(xì)分為內(nèi)核與外核。這種劃分并沒有什么錯，但卻會將科學(xué)家已在地球內(nèi)部確認(rèn)的其他幾層遺漏在外，例如在占地球體積84%的地幔內(nèi)部還有著所謂的過渡帶……
○ 研究發(fā)現(xiàn)，位于410公里以下的過渡層頂部總體上是平滑的，但位于660公里以下的過渡層底部的某些地方卻比地球表面粗糙得多，有著比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更加陡峭的地形。| 圖片來源：Kyle McKernan
1. 25年前的大地震
今天的故事要從25年前說起。1994年6月9日，玻利維亞發(fā)生了一次特大的地震，這是自有記錄以來的排名第二大的深源地震——里氏震級高達(dá)8.2級。如此巨大的地震所帶來了的災(zāi)難往往是毀滅性的，或許稍微值得安慰一點(diǎn)的是，這樣的地震并不經(jīng)常發(fā)生。
但是，地震能留下一些讓科學(xué)家感興趣的信息。地震能產(chǎn)生地球上最強(qiáng)大的波——地震波，研究人員可以利用這些地震波對地球的內(nèi)部進(jìn)行觀測。若要對地球的更深處進(jìn)行觀測，他們需要那些能讓整個地球都為之震動的最強(qiáng)地震波。
與過去相比，現(xiàn)在從事地理科學(xué)的研究人員要幸運(yùn)得多——他們有著比20年前多得多的地震檢波器；而且在儀器和計(jì)算資源方面，地震學(xué)也早已不可同日而語。現(xiàn)代的地震學(xué)家和數(shù)據(jù)科學(xué)家可以使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，來模擬在地球深處的散射波的復(fù)雜行為。
2. 地下660公里處的山脈
在最近的《科學(xué)》期刊上，刊登了一項(xiàng)由地球科學(xué)家吳文波、倪四道和Jessica Iring共同發(fā)表的新研究，他們運(yùn)用1994年的玻利維亞大地震和一些其他大地震所產(chǎn)生的散射波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了處于地底660公里以下的過渡層底部的山脈和其他地形！這個過渡層將上地幔和下地幔分隔了開來。目前，研究人員還沒有給這個過渡層一個正式的名稱，只是簡單地稱之為“660公里邊界”。
大地震比小地震的威力要強(qiáng)大得多。里氏震級每上升一級，地震能量就會增加30倍。對于深源地震來說，它們的能量不會消散在地殼之中，而是能夠傳到整個地幔中。在這項(xiàng)研究中，研究人員取用的所有數(shù)據(jù)都是來自于震級在7.0級以上的地震，因?yàn)橛蛇@些地震向各個方向發(fā)出的沖擊波，可以成功地穿過地核抵達(dá)地球的另一端后再返回來。1994年的玻利維亞大地震的地震波是這次研究的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源。
3. 散射波
研究中所涉及的技術(shù)強(qiáng)烈依賴于波的一個基本特性，那就波的彎折與反彈的能力。就像光波能從鏡面反彈回來（反射），在通過棱鏡時發(fā)生彎折（折射）一樣，地震波在均質(zhì)巖石中會筆直穿行，然后當(dāng)遇到任何邊界或粗糙的地方時會發(fā)生反射或折射。
幾乎所有的物體都具有表面粗糙度，因此會對光線進(jìn)行散射，從而讓我們可以看見這些物體。新論文的第一作者是吳文波博士，他說：“散射波攜帶著有關(guān)表面粗糙度的信息。在這項(xiàng)研究中，我們正是研究了在地球內(nèi)部傳播的散射地震波，來確定地球660公里邊界處的粗糙度?！?/span>
這個邊界有著令人驚訝的粗糙程度！它比我們生活的地球表層還要粗糙。換句話說，在地下660公里的邊界上，有著比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更加陡峭的地形存在。他們的統(tǒng)計(jì)模型無法進(jìn)行精準(zhǔn)的高度判定，但他們推測，這些山脈可能比地球表面的任何東西都大。
與地殼表面有平滑的海床又有巨大的山脈一樣，660公里邊界的粗糙度也呈不均勻的分布，它既有高低起伏的區(qū)域也有許多平滑的區(qū)塊。研究人員對地下410公里的地幔內(nèi)部過渡層的頂部也進(jìn)行了考察，并沒有發(fā)現(xiàn)類似的粗糙度。
4. 地幔中的熱量傳播爭議
這是一項(xiàng)非常了不起的發(fā)現(xiàn)。要知道，僅通過穿過整個地球再返射回的地震波，就能在地下660公里深的邊界上發(fā)現(xiàn)1~3公里的高度變化是非常不容易的。他們的發(fā)現(xiàn)表明，隨著地震儀器變得越來越成熟復(fù)雜，科學(xué)家將有機(jī)會利用地震散射波，去探索那些更小尺度的起伏，從而揭示出更多與地球?qū)佑嘘P(guān)的新特征。
在660公里邊界上存在粗糙度一事，對于理解地球如何形成以及如何持續(xù)運(yùn)行有著重要的意義。這個過渡層將地幔分為上下兩個部分。多年以來，這一過渡層的重要性一直是地球科學(xué)家爭論的話題。尤其是當(dāng)他們在研究熱量在地幔的傳播時——到底是熾熱的巖石從地核-地幔邊界（大約在地下2890公里）被一路轉(zhuǎn)移到地幔頂部，還是熱量的轉(zhuǎn)換會在這個過渡層里中斷。
關(guān)于這個問題，有一些地球化學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)顯示，上地幔和下地幔的化學(xué)組成上是不同的，這種結(jié)果支持了上地幔和下地幔不會發(fā)生熱力學(xué)或物理上的混合的觀點(diǎn)。但還有一些觀測結(jié)果表明，上地幔和下地幔之間兵沒有化學(xué)差異，因此有一部分人提出“混合良好的地?！钡母拍?，也就是上地幔和下地幔會參與相同的熱傳遞循環(huán)中去。
新的發(fā)現(xiàn)為這個問題提供了更加深入的見解。他們的數(shù)據(jù)表明，這兩種觀點(diǎn)可能都沒有錯，它們都具有部分的正確性：660公里邊界上較平坦的區(qū)域可能是由于更徹底的垂直混合形成的，而較粗糙的山區(qū)可能是由于上地幔和下地幔的不混合形成的。
5. 回望遙遠(yuǎn)的地球歷史
此外，從理論上說，研究人員在660公里邊界發(fā)現(xiàn)的大、中、小的不同尺度的粗糙度，可以是由熱異常或化學(xué)異質(zhì)性所引起的。但是吳博士認(rèn)為，熱量在地幔內(nèi)部的這種傳輸方式，能使得任何小規(guī)模的熱異常都在幾百萬年內(nèi)被消除干凈。照這樣來看，只有化學(xué)差異可以用來解釋研究中發(fā)現(xiàn)的小尺度的粗糙度。
什么能導(dǎo)致顯著的化學(xué)差異呢？曾經(jīng)屬于地殼的巖石，現(xiàn)在靜靜地躺在地幔中……長期以來，在俯沖帶被推入地幔的海床板塊的命運(yùn)一直是科學(xué)家想要知道的?，F(xiàn)在，研究人員認(rèn)為，這些板塊的殘余物可能就在660公里邊界的頂部或底部。
地球物理學(xué)家Irving說：“考慮到我們只能探測目前傳播于地球內(nèi)部的地震波，我們很容易假設(shè)地震學(xué)家無法幫助我們理解在過去的45億年里地球內(nèi)部是如何變化的。而這些結(jié)果令人興奮之處就在于，它們?yōu)槲覀兲峁┝诵碌男畔?，可以幫助我們了解已?jīng)下沉到地幔中的古代構(gòu)造板塊的命運(yùn)，還有古代地幔物質(zhì)仍然可能存在于什么地方?！?/span>
她說：“地震學(xué)最令人興奮的是，它可以讓我們更好地了解地球內(nèi)部的空間與時間?！?/span>
編譯：二宗主
參考鏈接：
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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