玻利維亞的大地震揭示了我們腳下660公里的山脈

大多數(shù)小學(xué)生都知道地球有三層(或四層):地殼、地幔和地核，有時(shí)又細(xì)分為內(nèi)核和外核。這沒(méi)有錯(cuò)，但它確實(shí)錯(cuò)過(guò)了科學(xué)家在地球上發(fā)現(xiàn)的其他幾個(gè)層次。

在本周發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)研究中，普林斯頓地球物理學(xué)家杰西卡歐文和吳與中國(guó)大地測(cè)量與地球物理研究所的司道妮合作，利用玻利維亞大地震的數(shù)據(jù)尋找一樓的山脈和其他地形。向下660公里(410英里)，分離上地幔和下地幔。(由于缺乏這一層的正式名稱，研究人員簡(jiǎn)稱為“660公里邊界”。)

為了深入地球，科學(xué)家們使用地球上最強(qiáng)大的波，這些波是由大地震產(chǎn)生的。地球科學(xué)助理教授歐文說(shuō)：“你想要一場(chǎng)大而深的地震來(lái)震動(dòng)地球。

歐文說(shuō)，大地震比小地震強(qiáng)大得多——能量增加30倍，每一步都是里氏震級(jí)——而深地震，“與其在地殼中消耗能量，不如得到整個(gè)地?！薄Ｋf(shuō)，她從7.0級(jí)或更高的地震中獲得了最好的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼈儊?lái)自四面八方的沖擊波可以通過(guò)地核傳播到地球的另一邊——然后再返回。在這項(xiàng)研究中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)自1994年震撼玻利維亞的8.2級(jí)地震引起的波浪，這是歷史上第二大地震記錄。

“這次大地震不會(huì)頻繁發(fā)生，”她說(shuō)?！皩?duì)我們現(xiàn)在來(lái)說(shuō)幸運(yùn)的是，我們擁有比20年前更多的地震儀。地震學(xué)與20年前不同，在儀器和計(jì)算資源之間?！?

地震學(xué)家和數(shù)據(jù)科學(xué)家使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，包括普林斯頓的老虎超級(jí)計(jì)算機(jī)集群，來(lái)模擬地球深處散射波的復(fù)雜行為。

這項(xiàng)技術(shù)依賴于波的基本特性：它們彎曲和反彈的能力。就像光波通過(guò)棱鏡時(shí)可以從鏡子反射(反射)或彎曲(折射)一樣，地震波直接通過(guò)均質(zhì)巖石，但遇到任何邊界或粗糙度時(shí)都會(huì)被反射或折射。

“我們知道幾乎所有的物體都有表面粗糙度，所以它們會(huì)散射光，”新論文的第一作者吳剛說(shuō)，他剛剛完成地球科學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)在他是加州理工學(xué)院的博士后研究員?！斑@就是為什么我們可以看到這些物體——帶有表面粗糙度信息的散射波。在這項(xiàng)研究中，我們研究了在地球內(nèi)部傳播的散射地震波，以抑制地球660公里邊界的粗糙度?！?

研究人員對(duì)這個(gè)邊界的粗糙度感到驚訝——它比我們生活的表層更粗糙?！皳Q句話說(shuō)，比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更堅(jiān)固的地形位于660公里的邊界，”吳碩說(shuō)。他們的統(tǒng)計(jì)模型無(wú)法精確確定高度，但這些山脈可能比地球表面的任何東西都大。粗糙度分布也不均勻；就像地殼表面有光滑的海底和山脈一樣，這660公里的邊界也有粗糙的區(qū)域和光滑的斑塊。研究人員還檢查了中地?！斑^(guò)渡帶”頂部410公里(255英里)的層，他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類似的粗糙度。

“他們發(fā)現(xiàn)地球的深層和我們?cè)诘乇碛^察到的一樣復(fù)雜，”地震學(xué)家克里斯汀豪斯說(shuō)，她是東京理工大學(xué)的助理教授，沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“通過(guò)使用穿過(guò)整個(gè)地球并返回的波浪，在400英里(660公里)深的邊界上發(fā)現(xiàn)2英里(1-3公里)的海拔變化，這是一個(gè)鼓舞人心的壯舉.他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震儀器變得更加復(fù)雜，并擴(kuò)展到新的領(lǐng)域，我們將繼續(xù)探測(cè)新的小尺度信號(hào)，揭示地球?qū)拥男绿卣?。?

這是什么意思？

660公里邊界上的粗糙度對(duì)于理解我們的星球是如何形成并繼續(xù)運(yùn)行的具有重要意義。這層將占地球體積約84%的地幔分為上半部分和下半部分。多年來(lái)，地球科學(xué)家一直在爭(zhēng)論邊界的重要性。特別是，他們研究了熱量是如何穿過(guò)地幔的——熱巖石是否從地核-地幔邊界(向下近2000英里)延伸到地幔頂部，或者傳遞是否在這層。一些地球化學(xué)和礦物學(xué)證據(jù)表明上地幔和下地幔在化學(xué)上是不同的，這支持了這兩部分不會(huì)熱混合或物理混合的觀點(diǎn)。

“我們的研究結(jié)果為這個(gè)問(wèn)題提供了見(jiàn)解，”吳碩說(shuō)。他們的數(shù)據(jù)顯示，這兩組可能是部分正確的。60公里邊界的平坦區(qū)域可能是由于更徹底的垂直混合造成的，而更粗糙的山區(qū)可能形成上地幔和下地幔不會(huì)混合的地方。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)的粗糙、中小尺度粗糙度理論上可能是由熱異常或化學(xué)非均勻性引起的。然而，由于熱量在地幔中傳輸，吳解釋說(shuō)，任何小規(guī)模的熱異常都將在一百萬(wàn)年內(nèi)被消除。這只能留下化學(xué)差異來(lái)解釋他們發(fā)現(xiàn)的小尺度粗糙度。

什么可能導(dǎo)致顯著的化學(xué)差異？曾經(jīng)屬于地殼的巖石的引入現(xiàn)在正在地幔中安靜地休息。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直在討論海底板塊的命運(yùn)，它們?cè)诟_帶被推入地幔，并在太平洋和世界其他地方相撞。吳和歐文認(rèn)為，這些板塊的殘余現(xiàn)在可能就在660公里的邊界之上或之下。

“這很容易假設(shè)，因?yàn)槲覀冎荒軝z查

測(cè)當(dāng)前狀態(tài)下穿過(guò)地球的地震波，地震學(xué)家無(wú)法理解地球內(nèi)部在過(guò)去45億年中的變化，”歐文說(shuō)。“這些結(jié)果令人興奮的是，它們?yōu)槲覀兲峁┝诵碌男畔?，以便了解古代?gòu)造板塊的命運(yùn)，這些板塊已經(jīng)下降到地幔中，并且古代地幔物質(zhì)可能仍然存在。”

她補(bǔ)充說(shuō)：“當(dāng)?shù)卣饘W(xué)讓我們?cè)诳臻g和時(shí)間上更好地了解我們星球的內(nèi)部時(shí)，地震學(xué)是最令人興奮的。”