在地球的所有深層內(nèi)部特征中，這些是最迷人和最復(fù)雜的。 我們現(xiàn)在有了第一個確鑿的證據(jù)來證明它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——這是深地地震學(xué)的一個真正里程碑。

地球的內(nèi)部像洋蔥一樣分層：中心是鐵鎳核心，周圍是一層厚厚的地幔，頂部是薄薄的外殼——我們賴以生存的地殼。 雖然地幔是堅硬的巖石，但它足夠熱，流動極慢。 這些內(nèi)部對流將熱量輸送到地表，推動構(gòu)造板塊運(yùn)動并助長火山噴發(fā)。

科學(xué)家們利用地震產(chǎn)生的地震波“看到”地球表面之下——這些波的回聲和陰影揭示了類似于雷達(dá)的深層內(nèi)部地形圖像。 但是，直到最近，核心-地幔邊界結(jié)構(gòu)的“圖像”是研究我們星球內(nèi)部熱流的關(guān)鍵區(qū)域，一直是顆粒狀的，難以解釋。

本研究中使用的事件和 Sdiff 射線路徑。 A) 剖切夏威夷超低速帶中心的橫截面，顯示一維地球模型 PREM 的 Sdiff 波在 96 、100 、110 和 120 處的射線路徑。 從上到下的虛線分別標(biāo)記了 410 公里、660 公里的不連續(xù)面和 2791 公里（地幔邊界以上 100 公里）。 B) 背景層析成像模型 SEMUCB_WM1 在 2791 公里深度的事件和 Sdiff 射線路徑。 用不同顏色繪制的事件沙灘球，包括 20100320（黃色）、20111214（綠色）、20120417（紅色）、20180910（紫色）、20180518（棕色）、20181030（粉色）、20161122（灰色）、車站（三角形）和射線在本研究中使用的最下地幔中穿透深度 2791 公里處的 Sdiff 波路徑。 短期分析中使用的事件以黃色突出顯示。 建議的 ULVZ 位置以黑色圓圈顯示。 虛線顯示在 A 中繪制的橫截面。來源：Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30502-5

研究人員使用最新的數(shù)值建模方法來揭示核幔邊界的千米級結(jié)構(gòu)。 開發(fā)這些方法的合著者冷光大博士的說法 牛津大學(xué) ，“我們確實在推動彈性動力學(xué)模擬的現(xiàn)代高性能計算的極限，利用以前未被注意到或未使用的波對稱性?！?目前在科學(xué)技術(shù)設(shè)施委員會工作的 Leng 表示，這意味著與以前的工作相比，他們可以將圖像的分辨率提高一個數(shù)量級。

研究人員觀察到，在夏威夷下方超低速區(qū)底部傳播的地震波速度降低了 40%。 這支持了現(xiàn)有的提議，即該區(qū)域比周圍的巖石含有更多的鐵——這意味著它更密集、更緩慢。 劍橋地球科學(xué)的項目負(fù)責(zé)人 Sanne Cottaar 博士說：“這種富含鐵的材料有可能是地球早期歷史中古代巖石的殘余物，或者甚至鐵可能以未知的方式從地核中泄漏出來。”

項研究還可以幫助科學(xué)家了解下面是什么，并產(chǎn)生了夏威夷群島等火山鏈。 科學(xué)家們已經(jīng)開始注意到夏威夷和冰島等熱點火山的位置與地幔底部的超低速帶之間的相關(guān)性。 熱點火山的起源一直存在爭議，但最流行的理論認(rèn)為，羽狀結(jié)構(gòu)將熱地幔物質(zhì)從核心-地幔邊界帶到地表。

有了夏威夷下方超低速區(qū)的圖像，該團(tuán)隊還可以從可能是夏威夷的羽流根部收集稀有的物理證據(jù)。 他們對夏威夷下方致密、富含鐵的巖石的觀測將支持地表觀測。 “從夏威夷噴發(fā)的玄武巖具有異常的同位素特征，可能指向早期地球起源或核心泄漏，這意味著必須將一些堆積在底部的致密物質(zhì)拖到地表，”科塔爾說。

現(xiàn)在需要對更多的核幔邊界進(jìn)行成像，以了解所有地表熱點是否在底部都有一個致密物質(zhì)袋。 核幔邊界的目標(biāo)位置和方式取決于地震發(fā)生的位置，以及安裝地震儀記錄地震波的位置。

該團(tuán)隊的觀察增加了越來越多的證據(jù)表明地球的內(nèi)部深處與表面一樣多變。 “這些低速帶是我們在極端深度看到的最復(fù)雜的特征之一——如果我們擴(kuò)大搜索范圍，我們很可能會在核心-地幔邊界看到結(jié)構(gòu)和化學(xué)的復(fù)雜程度不斷提高，”李說。

他們現(xiàn)在計劃應(yīng)用他們的技術(shù)來提高核心-地幔邊界其他口袋成像的分辨率，以及繪制新區(qū)域的地圖。 最終，他們希望繪制跨越核幔邊界的地質(zhì)景觀，并了解它與地球動力學(xué)和演化歷史的關(guān)系。