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地心历险记:核幔边界地形起伏及D〃层结构
地球、空间、海洋
2018-03-16 10:40
作者  孙道远 孙新蕾 杨欣颖 倪四道

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儒勒.凡尔纳在科幻经典作品《地心历险记》中描述了地球内部的奇幻世界。主人公经过一个神秘的火山口,到达了地球深部,那里不仅有炙热的岩浆、大片的海洋,还有各种奇怪的生物。小说中地球内部和表面一样多姿多彩。但真实的情况真是这样吗?能找到这样一个直通地球内部的火山口吗?《地心历险记》的主人公终究没能到达地球中心。在凡尔纳生活的18世纪末,人们对地球深内部的认识非常有限。

核幔边界(CMB)是地球内部变化最剧烈的物质和温度分界面:其上是固态硅镁质的地幔,其下为快速对流的液态铁合金外核。2891千米,这是核幔边界离我们地球表面的距离。这个距离等同于广州到哈尔滨的直线距离,搭乘飞机只需要4个多小时。然而,从地球表面到核幔边界,几十年来人们却只走了十几千米。原因在于地球的压力和温度随深度不断增加:CMB的压强约120 吉帕(相当于250头成年大象一起站在一个高跟鞋上,鞋尖所承受的压力),温度约3500开尔文,远超过现阶段科技手段能直接到达的极限。我们对CMB最直接的了解来源是地震波,通过研究地震波穿过这一区域的时间以及波形的变化,我们知道CMB并不是一个简单平滑分界面,CMB不仅有几千米的起伏,而且在其上方的下地幔底部区域隐藏着地球变化最剧烈的区域。而CMB的结构不仅直接决定了地球内部的热传导,进而影响地球的磁场,同时也影响了地球自转变化。

图1 地球分层结构(2).jpg

1942年前美国地震学家布伦将地球内部分为A-G层,其中整个下地幔为D层。后来的工作发现相对于比较简单的下地幔上半部分,下地幔底部更为复杂。在1950年,布伦进一步将下地幔底部到CMB的这200~400千米划分为D''层,见图1。通过类似于医学CT的地震层析成像方法,可以获得地球在1000千米尺度上的大结构。我们知道D''层分布了各种尺度上的结构体,远比地球表面复杂。

在CMB附近,最明显的一类异常是分别位于非洲和太平洋下方的大尺度剪切低速异常体(LLSVP),见图2,其高度达1000千米,横向覆盖达到几千千米,分布在CMB的一半面积上。究竟是什么原因造成了这个和青藏高原面积相当但高度是其200倍的低速异常体呢? 通过进一步地震学精细工作,发现LLSVP具有比较陡峭的边界和比较大的密度。这种结构在动力学上很难由纯热异常所引起的地幔对流形成,而需要LLSVP与周围物质的化学成分不同来解释。在地表我们也观测到一些温度比周围高、化学组分与一般地幔岩浆不同的“热点”,例如夏威夷火山等。这些热点和LLSVP的边界在空间上有很好的相关性,因此推测部分火山很可能起源于LLSVP或者直接由CMB上升热的地幔柱形成。也许凡尔纳是对的,确实有一个连接下地幔和地表的管道。这一管道就是地幔柱,但其并不是中空的通道,只是温度比周围地幔更高而已。

图2 核幔边界主要结构体(1).jpg

在CMB上另一类结构是环太平洋的高速异常,其在空间上和中生代晚期(约150百万年)以来的俯冲板片有很好的相关性,因此推测这一高速异常是俯冲到CMB的冷的大洋板片。而这一高速异常和D"不连续面也有一定的空间对应。D"不连续面的高度通常为200~300千米。跨过这一不连续面,横波波速有1%~3%的跳变。然而D"不连续面并不是全球存在的。在大尺度上,观测到在波速较大(冷的)区域,D"不连续面较浅;在波速较小(热的)的区域,该不连续面更接近CMB或消失。因此,地震学上推测D"不连续面和下地幔底部的固态相变相关,这也被近期在矿物物理上发现的从布里基曼石到后钙钛矿的相变所证实。凡尔纳只写到地球深部的物质上涌到地表,但实际上整个地球是个动态交换的系统,地球深部的部分物质也有可能源自地表。

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除了上述LLSVP与俯冲板片大尺度的异常体之外,通过更细致的地震波波形模拟工作,发现D"层区域存在着更小尺度的异常体。D"不连续面的高度可能会在横向100千米的范围内变化超过100千米,就像高山峡谷相伴而生;同样在LLSVP范围内也发现了D"不连续面,这个结果很难简单地用之前提到的固态相变来解释。我们也发现CMB另一类的小尺度异常体:超低速体(ULVZ)。相对于周围地幔,其横波波速减低10%~30%,高度5~100千米。尽管ULVZ尺度很小,但由于其物理性质的特殊性,因此引起了广泛关注。现阶段主要认为ULVZ可能是由于部分熔融造成,或者由于富铁矿物所致。考虑到CMB是一个等温面,无论ULVZ是哪种成因所致,都代表了D"层内存在着很强的化学成分不均匀性。在更小尺度上,通过对高频地震波的观测,发现在D"层中可能存在更小(千米)尺度上不均匀体。而这表明,在核幔、地球早期结晶分异和地幔对流的共同作用下,在D"层内存在着各种尺度上的化学成分和热学的不均匀。

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D" 层是我们认识地球漫长演化历史和现今过程最重要的窗口。虽然凡尔纳的想象似乎与真实的观测大相径庭,但我们目前的认识仍很有限。地震学提供了D"层观测的关键手段,但是一方面受制于天然地震的分布,另一方面受制于地震台站的分布,需要在不断提高地震学的成像手段的基础上,加强台网特别是海底地震台网的建立。大地测量学、地磁学也提供了D"层观测研究的有效手段,与地震学一起了构成了地球深内部观测研究的支柱学科。综合地球动力学、矿物物理学和地球化学等多学科,在不远的未来有望建立起一个真正通向认识地心的“管道”。 

致谢:感谢国家973计划课题“核幔边界地形起伏及D"层结构研究”(课题编号:2014CB845901)的支持。

作者:孙道远、孙新蕾、杨欣颖、倪四道(孙道远,中国科学技术大学教授;孙新蕾,中国科学院广州地球化学研究所研究员;杨欣颖,中国科学技术大学特任副研究员;倪四道,中国科学院测量与地球物理研究所研究员。)

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