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玻利维亚大地震揭示了我们脚下660公里的山脉

2019-09-09来源:中国传媒联盟网

地震学家在地幔深处的边界层上发现了山脉和平坦的平原

地球物理学家利用玻利维亚一场大地震的数据,在我们脚下660公里的地幔过渡带底部发现了山脉。他们的统计模型不允许精确测量高度,但这些山可能比地球表面的任何东西都大。研究人员还检查了过渡带的顶部(向下410公里),没有发现类似的情况

玻利维亚大地震揭示了我们脚下660公里的山脉

普林斯顿大学的地震学家杰西卡·欧文与当时的研究生吴文波和另一位合作者合作,利用分散的地震波测定了地幔内一层过渡区的顶部和底部的粗糙度。他们发现,位于410公里以下的过渡带顶部大部分是平滑的,但660公里以下的过渡带底部,在某些地方比全球地表平均水平粗糙得多。吴说:“换句话说,在660公里的边界线上,有比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更强的地形。”注意:此图形不是按比例绘制的。

大多数学童都知道地球有三(或四)层:地壳、地幔和地核,地核有时又细分为地核和地核。这并没有错,但它确实遗漏了科学家们在地球内部发现的其他几层。

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在本周发表在《科学》杂志上的一项研究中,普林斯顿大学的地球物理学家杰西卡·欧文和文博吴合作Sidao倪大地测量与地球物理研究所的在中国,使用数据从一个巨大的地震在玻利维亚找到山脉和其他地形连续层位于660公里(410英里),它将上部和下部地幔。(由于没有对这一层的正式名称,研究人员简单地称之为“660公里的边界”。)

为了深入观察地球,科学家们使用地球上最强大的波,这些波是由大地震产生的。“你想要一场大而深的地震让整个地球震动,”地球科学助理教授欧文(Irving)说。

大地震比小地震的威力要大得多——里氏震级每上升一步,能量就会增加30倍——而深地震“不会将能量消耗在地壳中,而是能让整个地幔运转起来,”欧文说。她说,她最好的数据来自7.0级或更高级别的地震,因为它们向各个方向发出的冲击波可以穿过地核到达地球的另一端,然后再返回。在这项研究中,关键数据来自1994年玻利维亚发生8.2级地震(有记录以来的第二大深源地震)后的海浪。

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“这么大的地震并不经常发生,”她说。“幸运的是,我们现在拥有的地震检波器比20年前多得多。”在仪器和计算资源方面,地震学与20年前相比是一个不同的领域。

地震学家和数据科学家使用强大的计算机,包括普林斯顿大学的Tiger超级计算机集群,来模拟地球深处复杂的散射波行为。

这项技术依赖于波的一个基本特性:它们的弯曲和反弹能力。就像光波通过棱镜时能从镜子上反射或弯曲(折射)一样,地震波直接穿过均质岩石,但遇到任何边界或粗糙度时就会反射或折射。

“我们知道,几乎所有的物体都有表面粗糙度,因此会散射光线,”这篇新论文的第一作者吴说。他刚刚完成自己的地球科学博士学位,现在是加州理工学院(California Institute of Technology)的博士后研究员。“这就是为什么我们可以看到这些物体——散射波携带有关表面粗糙度的信息。”在这项研究中,我们研究了在地球内部传播的散射地震波,以限制地球660公里边界的粗糙度。

研究人员惊讶于这个边界是多么粗糙——比我们生活的表层还要粗糙。吴说:“换句话说,在660公里的边界线上,有比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更强的地形。”他们的统计模型没有考虑到精确的高度确定,但是这些山有可能比地球表面的任何东西都大。粗糙度也不是均匀分布的;正如地壳表面有平滑的海底和巨大的山脉,660公里的边界有粗糙的区域和平滑的斑块。研究人员还检查了地幔中部“过渡带”顶部410公里(255英里)以下的一层,他们没有发现类似的粗糙度。

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“他们发现,地球的深层和我们在地表观察到的一样复杂,”东京理工大学(Tokyo Institute of Technology)的地震学家、助理教授克里斯汀·豪瑟(Christine Houser)说。她没有参与这项研究。“在400英里(660公里)深的边界上,利用穿越整个地球的波来发现2英里(1-3公里)高的变化是一项令人鼓舞的壮举。”他们的发现表明,随着地震的发生,地震仪器变得越来越复杂,并扩展到新的地区,我们将继续探测新的小规模信号,揭示地球层的新特性。

它意味着什么

660公里的边界线上存在的粗糙度对于理解我们的星球是如何形成并继续运转的有着重要的意义。这一层将占地球体积84%的地幔分为上下两部分。多年来,地球科学家一直在争论这个界限到底有多重要。特别是,他们已经研究了热量是如何在地幔中传播的——热岩石是如何从地核-地幔边界(大约2000英里以下)顺利地向上移动到地幔顶部的,还是这种转移在这一层中断了。一些地球化学和矿物学证据表明,上地幔和下地幔在化学上是不同的,这支持了这两个部分在热和物理上不混合的观点。另一些观测结果表明,上地幔和下地幔之间没有化学差异,这导致一些人提出所谓的“混合良好的地幔”,即上地幔和下地幔参与相同的传热循环。

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“我们的发现为这个问题提供了深入的见解,”吴说。他们的数据表明,这两组人可能都有一部分是对的。660公里边界线较平坦的区域可能是由于更彻底的垂直混合,而较粗糙的山区可能是由于上地幔和下地幔不混合而形成的。

此外,研究人员还发现,存在于大尺度、中尺度和小尺度上的粗糙度,理论上可能是由热异常或化学异质性引起的。但是吴解释说,由于热量在地幔内部的传输方式,任何小规模的热异常都会在100万年之内被消除。这只留下化学差异来解释他们发现的小规模粗糙度。

什么会导致显著的化学差异?岩石的引入曾经属于地壳,现在静静地躺在地幔中。科学家们长期以来一直在争论在俯冲带被推入地幔的海床板块的命运,这种碰撞发生在太平洋和世界其他地方。吴和欧文认为,这些板块的残余物现在可能就在660公里边界的上方或下方。

欧文说:“考虑到我们只能探测到目前在地球上传播的地震波,我们很容易假设地震学家无法帮助我们理解在过去45亿年里地球内部是如何变化的。”“这些结果令人兴奋之处在于,它们为我们提供了新的信息,帮助我们了解已经下降到地幔中的古代构造板块的命运,以及古代地幔物质可能仍然存在的地方。”

她补充说:“地震学最令人兴奋的是它能让我们更好地了解地球内部的空间和时间。”

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