假如地球是一个鸡蛋

  • 日期:04-02
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来源:中国科学院之声

目前,科学家普遍认为地球80%的成分是铁、硅和氧。在地球形成的早期,较重的铁下沉并形成核心,而较轻的硅酸盐物质上浮并形成地幔。在离地球表面2900公里的深处,地核和地幔之间有一条边界线(称为核-地幔边界)。正是因为这条边界线,地球内部才没有混乱。如果地球是一个鸡蛋,它的核心是蛋黄,它的外套膜是蛋清,核心和外套膜之间的边界是蛋清和蛋黄之间的过渡带(图1)。

图1 地球分层示意图(图片来源:中科院青藏高原所,基于Ed Garnero教授图片修改。)图1地球分层示意图(图像来源:中国科学院青藏高原研究所,基于加尔内罗教授图像的修正。)

这是俯冲板块的“坟墓”。

1914年,德国地球物理学家本诺古登堡首次利用地震观测波形发现了地核和地幔的边界。核-幔边界是地球上最神秘、最复杂的区域,涉及地球内部的大量物理和化学现象。物理上,地核和地幔边界的地震波速度、密度和温度发生了巨大的变化。同时,核-幔边界与火山爆发和地震活动密切相关。例如,夏威夷火山的形成意味着核心和地幔边界的物质上升到表面。

1999年,美国科学家罗布范德沃在《自然》杂志上发表了一篇文章,将核地幔的边界命名为“俯冲板块之墓”。回到如果地球是一个鸡蛋的类比,“不安分的”蛋壳(板)互相挤压,蛋壳(板)材料猛扑向蛋黄,但不能超过蛋清和蛋黄之间的边界,即核心和地幔之间的边界。

自中生代早期(约2.5亿年)南半球冈瓦纳大陆最初解体以来,青藏高原的形成经历了漫长的构造演化历史。当印度板块与欧亚板块相遇时,大量板块物质俯冲到地球深部,它们的最终目的地是核-地幔边界(图2)。

因此,理解核地幔边界的温度和化学成分是我们理解和理解基本科学问题的关键,如地球内部动力学、地幔对流模型、全球构造运动、地磁场的周期性变化以及地球的形成和演化。

图2 板块俯冲到核幔边界示意图(核幔边界之上约300km的区域被称为D”区,其上界面被称为D”间断面,此处原子的排列方式发生了变化。)(图片来源:中科院青藏高原所)图2板块向地核-地幔边界俯冲的示意图(地核-地幔边界以上约300公里的区域称为D带,其上部界面称为D带,在那里原子的排列发生了变化。(图片来源:中国科学院青藏高原研究所)

在地震波中挖掘“秘密”。

印度-欧亚碰撞带位于印度北部和青藏高原南部。古/新特提斯由南向北俯冲,太平洋由西向东同时俯冲,大量板块物质沉入核幔边界。这些物质如何影响地球的深度是地球科学家的热门研究课题。

地震发生后,会产生地震波,尤其是大地震。地震波的能量非常强。它们可以传播到地下2900公里处,在地核和地幔的交界处反射,然后传播到地表,被地震仪接收,如图3中的地震记录所示。从地震波产生到被地震仪接收的传播时间称为地震波传播时间。基于地震走时的全球层析成像通常用于研究核-幔边界的大尺度速度结构(图4)。

图3 地震波ScS和S波射线路径示意图(图片来源:中科院青藏高原所)图3地震波ScS和S波射线路径示意图(图片来源:中国科学院青藏高原研究所)

近日,中国科学院青藏高原研究所的白翎研究员和他的团队成员首次对印度-欧亚碰撞带核幔边界顶部的精细结构进行了研究。

他们利用中国数字地震台网在印度洋地区记录的8次地震的波形数据和互相关观测方法以及三维理论地震记录波形,综合考虑了地幔中地震波传播速度的三维不均匀性的影响,提取了地震波的传播速度

图5 研究区地形图及核幔边界速度变化图(结果速度变化图中:蓝色为高速,代表俯冲结构,黄色为低速,代表化学异常体或熔体。)(图片来源:左图来自谷歌地球,右图来自中科院青藏高原所。)图5研究区地形图和核-幔边界速度变化图(结果速度变化图:蓝色代表高速,代表俯冲构造,黄色代表低速,代表化学异常或熔融。(来源:左边是谷歌地球,右边是中国科学院青藏高原研究所。)

结果发表在3月21日的《地球物理研究快报》杂志上。

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