在穿過地球內(nèi)部的地震波揭示了具有獨(dú)特物理特性，規(guī)模如同大陸的區(qū)域。研究人員正在探究這些區(qū)域是什么、它們是如何形成的，以及它們在地球內(nèi)部動態(tài)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(tài)鐵構(gòu)成）之間的邊界。小學(xué)課本通常會把地球內(nèi)部描繪成由地殼、地幔、外核和內(nèi)核組成的簡單、色彩鮮艷的同心球?qū)咏Y(jié)構(gòu)。然而，近期的研究極大地改變了這種簡單化的觀點(diǎn)，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(jié)構(gòu)。這兩個異常結(jié)構(gòu)分布在地球幾乎相對的兩側(cè)：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(qū)的下方。

這兩個結(jié)構(gòu)體的規(guī)?？氨却笮痛箨懀糠謪^(qū)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(zhì)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(nèi)部的性質(zhì)。

地球內(nèi)部深處的地震圖像是逐步揭示其特征的基礎(chǔ)。通過詳細(xì)研究穿過地球的振動，科學(xué)家得以不斷加深對地球內(nèi)部性質(zhì)的認(rèn)識。地震研究使學(xué)者對諸多現(xiàn)象有了更深入的理解，包括內(nèi)部對流、地幔柱、俯沖到下地幔的構(gòu)造板塊的命運(yùn)、行星的地球化學(xué)循環(huán)、從地核流向地幔并產(chǎn)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(xué)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(fā)生在相對較短的橫向距離內(nèi)。這種現(xiàn)象似乎與單純的熱效應(yīng)解釋不相符，因?yàn)槿绻笮偷退袤w僅由熱效應(yīng)引起，從周圍下地幔到大型低速體的波速過渡應(yīng)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(zhì)成分上，認(rèn)為該區(qū)域的物質(zhì)成分與周圍的下地幔巖石不同，因而產(chǎn)生的波速要低得多。

緩慢的發(fā)現(xiàn)歷程

大型低速體的發(fā)現(xiàn)并非一蹴而就，而是全球研究人員經(jīng)過數(shù)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(yī)學(xué)斷層成像類似，利用穿過目標(biāo)介質(zhì)（即地球地幔）多達(dá)數(shù)百萬次的地震波描繪地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。層析成像揭示了地震波在極大范圍內(nèi)速度降低的證據(jù)（例如，波速在大約1萬公里范圍內(nèi)的平滑變化），這導(dǎo)致研究人員起初認(rèn)為這些區(qū)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(zhì)性的細(xì)節(jié)，完善對其的認(rèn)識。

大約20年前，地震學(xué)家在研究穿過地幔最深處的能量脈沖時，發(fā)現(xiàn)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(cè)的運(yùn)動產(chǎn)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(gòu)成不同。這一發(fā)現(xiàn)還表明，構(gòu)成大型低速體的物質(zhì)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?yàn)椴ㄋ偻瑫r受到密度和材料強(qiáng)度的影響。大型低速體長期穩(wěn)定地存在于熾熱地核上方的位置，它們的高溫本應(yīng)使它們密度變低。但大型低速體的物質(zhì)構(gòu)成帶來的密度上升可能超過了高溫導(dǎo)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(lǐng)域。

從地面望遠(yuǎn)鏡到哈勃和詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡，技術(shù)的進(jìn)步使得遙遠(yuǎn)星系的圖像變得更為清晰；與之類似，地震成像技術(shù)的改進(jìn)也使地球內(nèi)部的細(xì)節(jié)變得更加分明。全球各地不斷增長的地震傳感器數(shù)量極大地促進(jìn)了這一技術(shù)的進(jìn)步。地震成像和用于人體的超聲波及核磁共振成像技術(shù)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(qiáng)。計算工具的改進(jìn)也推動了地震成像技術(shù)的發(fā)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(xì)節(jié)一樣，大型低速體也呈現(xiàn)出錯綜復(fù)雜、凹凸不平的三維形態(tài)，與早期成像中顯示的平滑結(jié)構(gòu)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(yuǎn)、更高。這表明，兩個異常區(qū)域在密度結(jié)構(gòu)甚至化學(xué)組成上可能存在差異。

大型低速體周圍的對流強(qiáng)度也可能不同。地幔深處的對流強(qiáng)度主要受俯沖作用控制，也就是構(gòu)造板塊在變得足夠冷且密度足夠大時下沉到地球內(nèi)部的過程。當(dāng)板塊落入地幔時，與俯沖相關(guān)的下沉流隨構(gòu)造板塊的運(yùn)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(tài)地幔密切相關(guān)。在當(dāng)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(xì)。然而，由于全球地震儀和地震分布不均，造成內(nèi)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(shù)的不斷改進(jìn)，學(xué)者愈發(fā)認(rèn)識到它們在人類理解地球45億年歷史中的動力學(xué)和礦物學(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)被認(rèn)為完全是大規(guī)模地幔對流引起的溫度變化導(dǎo)致的結(jié)果。地幔中的對流就像一鍋沸水中的對流：冷物質(zhì)下沉，熱物質(zhì)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(fā)生在數(shù)百萬年的時間尺度上。

當(dāng)構(gòu)造板塊（通常簡稱為“板塊”）從地表經(jīng)由俯沖帶下沉到地球內(nèi)部時，其周圍的地幔會被向下拉動（圖2）。一旦這些板塊到達(dá)地幔底部，它們就會沿核幔邊界橫向?qū)α?，向溫暖的上涌區(qū)域移動。這些較暖的區(qū)域被認(rèn)為是炙熱地幔柱的發(fā)源處，而地幔柱會穿過整個地幔上升，導(dǎo)致大型低速體上方（如夏威夷）發(fā)生熱點(diǎn)火山活動。20世紀(jì)80年代和90年代的層析成像中發(fā)現(xiàn)了地震波速度降低的現(xiàn)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(jì)初探測到大型低速體的陡峭邊界以來，關(guān)于其組成物質(zhì)的主流假說就從單純的熱差異導(dǎo)致轉(zhuǎn)變?yōu)樵跓崃统煞稚暇袆e于周圍地幔的模型。這一假說對揭示地幔的動態(tài)行為和成分具有重要意義，至今仍是主流觀點(diǎn)。

如果地幔底部存在任何成分不同的物質(zhì)，它們也會受到地幔對流作用的影響，被卷向?qū)α魃嫌繀^(qū)域。如果這些物質(zhì)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(zhì)堆積。過去1.2億年的地幔對流熱化學(xué)模擬結(jié)果與這些化學(xué)堆積位置的地震學(xué)發(fā)現(xiàn)結(jié)果相一致。因此，長期存在、化學(xué)成分獨(dú)特的大型低速體可能包含著地球早期歷史的化學(xué)特征。

由于對流會將這些堆積物中的少量物質(zhì)卷入地幔柱，堆積物可能會被逐漸侵蝕。地幔柱將這些物質(zhì)中的一部分輸送到地表，在熱點(diǎn)火山噴發(fā)中以微量元素同位素異常的形式顯現(xiàn)。事實(shí)上，熱點(diǎn)火山的位置以及地球上最大火山噴發(fā)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(yù)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(tài)外核中的對流，而這些對流會生成地球的磁場。

盡管現(xiàn)代的地震成像技術(shù)已經(jīng)回答了許多有關(guān)大型低速體的問題，但隨著新圖像的出現(xiàn)，更多問題也隨之而來。例如，人們發(fā)現(xiàn)，大型低速體頂部可能延伸出寬闊的大規(guī)模上涌流。這些上涌流在過去的文獻(xiàn)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(zhì)是上升、下沉還是處于中性浮力狀態(tài)，還需要對流實(shí)驗(yàn)。

另一種有趣的可能性與超大陸旋回有關(guān)。超大陸旋回指的是諸如盤古大陸這樣的超大陸在數(shù)億年間反復(fù)聚合和分離的現(xiàn)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(cè)合并，并在超大陸分離時變回兩塊位于地球?qū)?cè)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(guī)?；鸪蓭r堆積？兩座大型低速體是否由相同的物質(zhì)構(gòu)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(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

來自地球還是地外？

如果一個對流系統(tǒng)因成分或溫度效應(yīng)產(chǎn)生了足夠大的密度擾動，那么異常結(jié)構(gòu)既可能存在于頂部，也可能存在于底部——浮力較大的物質(zhì)在頂部，密度較高的物質(zhì)在底部。這些物質(zhì)會隨著時間的推移與背景物質(zhì)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(shè)，一種是它們隨著時間的推移從致密物質(zhì)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(jié)晶形成地幔的過程可能促進(jìn)了大型低速體的形成：密度較大的礦物會首先結(jié)晶并下沉到地幔底部，它們可能在那里經(jīng)歷了后續(xù)的化學(xué)變化。

有關(guān)大型低速體是緩慢形成的致密結(jié)構(gòu)這一假設(shè)，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(zhì)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(xué)交換過程，促成地幔最深處的異常物質(zhì)形成。例如，最近的一項(xiàng)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(jìn)行交換。這一過程所發(fā)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(qū)的小規(guī)模地貌的起源，這些超低速區(qū)同樣位于核幔邊界上方，地震波在穿過它們時呈現(xiàn)出極低的速度。

根據(jù)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(fā)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(zhì)。而由于月球的體積僅占假設(shè)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(xué)家提出了一個假設(shè)：地球上那巨大的下地幔異常結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jìn)我們的地震成像技術(shù)

盡管我們?nèi)缃褚呀?jīng)了解了大型低速體的大尺度形狀，但要進(jìn)一步聚焦于其精細(xì)結(jié)構(gòu)仍然面臨挑戰(zhàn)。我們正在利用地震波對地表以下深達(dá)3000公里處的巨大結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，而這些地震波對地球內(nèi)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(zhì)性的圖像。它和醫(yī)學(xué)斷層成像（如CT/CAT掃描）使用了相同的方法，但存在幾個關(guān)鍵差異。首先，醫(yī)學(xué)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(jù)需要對能量進(jìn)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(guī)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(tuán)隊得出的大型低速體模型仍然相當(dāng)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(qū)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(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型以及成像方法的不同造成的。

通過在全球范圍內(nèi)，特別是在海洋和儀器稀少的大陸地區(qū)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(xì)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xué)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(shù)的波并不常用 ，但在數(shù)據(jù)中也存在。測量所有可用的S波和P波能夠改進(jìn)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(fā)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(shù)以千計的地震傳感器提供了開放獲取的數(shù)據(jù)，每次地震都有多達(dá)幾十種獨(dú)特地震波可以測量：這些波會從地表底側(cè)和核幔邊界多次反射（圖3）。這其中的許多波并非用于常規(guī)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(xù)增長，目前，我們已完成了數(shù)百萬次地球測量。內(nèi)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(shù)據(jù)量也是一個挑戰(zhàn)。不久之前，地震學(xué)家還需要親自查看并手動測量所有數(shù)據(jù)。而如今，隨著地震事件和觀測記錄的不斷增加，從數(shù)百萬次的地震波中記錄下的數(shù)據(jù)已經(jīng)多到人類無法逐一查看。

處理如此大量的數(shù)據(jù)只能依賴軟件，因此科學(xué)家正逐步采用自動化、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能進(jìn)行分析。盡管這大大增加了可用測量數(shù)據(jù)的數(shù)量，但也可能引入誤差。如何訓(xùn)練算法以區(qū)分高質(zhì)量和低質(zhì)量數(shù)據(jù)也是一個活躍的研究領(lǐng)域。

地震成像提供了地球內(nèi)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(guān)地球化學(xué)和礦物學(xué)的有意義信息，就必須展開跨學(xué)科研究。地球動力學(xué)家使用動態(tài)流動模擬預(yù)測地球內(nèi)部的溫度和成分模式。礦物物理學(xué)家研究地球內(nèi)部的礦物學(xué)特征，并在高壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中再現(xiàn)這些成分。通過將這些分析與噴發(fā)熔巖的化學(xué)機(jī)制、地球磁場的生成與性質(zhì)以及地表構(gòu)造運(yùn)動的知識等相結(jié)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(xiàn)象之間的關(guān)系。

資料來源"Physics Today