不断“进化”的地幔对流模式

文章作者:管理一号 | 2019-03-14
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来历:科技日报

“上天入地”是人类的愿望。不久之前,嫦娥四号已经在月球反面着陆,探究深空的微妙;而地球科学工作者也一向致力于提醒地球内部的隐秘。

近来,中国科学院丈量与地球物理研讨所倪四道等研讨人员经过长时间研讨,发现了地幔混合对流的重要依据,为提醒地球深部隐秘供给了新头绪。

不断“进化”的地幔对流形式

上地幔下沉并抵达地幔深处,下地幔热注上涌抵达地表

依据地震波在地球内部传达速度的改变,地球固体外表以下划分为地壳、地幔和地核三个圈层。假如把它们比作溏心的鸡蛋,那么地幔就是固体的蛋白部分。地幔的厚度达2800多千米,其质量约占地球总质量的67%。依据地震波波速的改变,又可把地幔分为上地幔和下地幔两层,地幔在大约410千米、660千米的深度有两个界面,410千米以浅的部分是上地幔,660千米以深的部分为下地幔,410千米与660千米之间的部分称为地幔过渡带。

众所周知,地球存在板块运动。“板块运动是地幔运动在地表的表现形式。因地幔对流是板块运动的首要驱动机制,科学家们一般又称板块运动为地幔对流。”中国科学技术大学地球和空间科学学院地球动力学专家冷伟教授通知科技日报记者,地幔对流的下鸿沟是核幔鸿沟,深度在2900千米左右,因为地核比地幔热许多,这相当于下地幔坐落于火炉之上,因而不断会有热柱上涌。

地幔对流有两种表现形式:一种是上地幔的冷板块下沉刺进地幔,并抵达地幔深处;另一种是下地幔的热柱上涌抵达地表。“可是,一向以来,地幔对流形式都存在争议。”冷伟说。

开始,地球化学家以为地幔对流只发作在上地幔。他们发现地表的观测成果显现下地幔中保存有几十亿年前原始地幔的残留物质,这就阐明至少部分下地幔并没有参加全地幔对流,即便参加地幔对流,也仅仅鄙人地幔内部进行。

上世纪90年代末,更多的依据标明,地幔对流不只存在于上地幔。科学家底子承认,爬升的板块必定能进入下地幔,相应的,地幔热柱也能够穿过地幔过渡带抵达地表。“全地幔对流必定存在,也被科学家广泛承受。”冷伟说。

可是,这就很难解说地球化学家的疑问,为什么下地幔中会保存有原始地幔的残留物质?

为了处理这个问题,地幔对流形式又进一步往前,演化出了地幔混合对流形式。新的形式以为,尽管爬升板块能够穿过地幔过渡带进入下地幔,地幔热柱也能够从下地幔穿过地幔过渡带进入上地幔,可是这种穿过只在部分发作,也就是说有的当地是全地幔对流,有的当地上下地幔之间或许还有比较强的隔绝,并没有发作对流。

地幔连续面存在小标准崎岖

有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔全体对流

倪四道等人的研讨为地幔混合对流形式供给了新依据。他们初次发现了非对称途径660千米连续面散射波震相,提醒了地幔660千米连续面的小标准崎岖特征。这一发现难以用全地幔对流或上下地幔分层对流形式解说,而支撑地幔混合对流形式,即有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔全体对流。

“当地震波遇到比较润滑的界面时,会发作反射现象,且反射后的地震波沿着与入射波对称的方向传达,这就像一束光照到镜面上会往特定方向反射相同。”倪四道通知记者,可是当界面比较粗糙时,地震波则或许沿着各个不同的方向反射,这被称为漫反射或许散射,此刻入射波和散射波不再坚持对称的联系。

“非对称途径660千米连续面散射波震相”是一种地震波在660千米界面上的散射波,它标明660千米界面存在必定粗糙度。“在咱们的研讨中,没有观测到410千米界面的散射波,而是观测到了660千米界面的散射波,因而咱们以为410千米界面比较润滑,660千米界面比较粗糙,也就是存在小标准崎岖。”倪四道说。

事实上,假如上下地幔物质均一,就不太简略呈现这种崎岖。假如呈现崎岖阐明上下地幔之间或许存在化学界面。因而,研讨人员提出410千米界面首要成因在于相变,660千米界面的成因则不完全为相变面,在一些区域还应该是化学界面,而其他区域化学分层不明显,存在化学界面就阐明存在上下地幔全体对流。毫无疑问,这项研讨成果支撑了地幔混合对流形式。世界闻名学者克里斯廷·豪泽(Christine Houser)在《科学》观念栏目撰文点评说:“这项研讨成果能够协助答复地球演化的底子性问题。”

“杀手”地震是个千里眼

地幔内部的元素散布、化学反常体结构等仍存争议

地幔对流到底是怎样运动起来的?运动的原因是什么?运动的成果是什么?科学家在答复这些问题时,会用到哪些办法呢?

对此,冷伟标明,研讨这些问题,咱们需求用到数值模仿的办法,经过数值模型运用高性能计算机来模仿地球内部的运动是什么姿态。可是,这些模仿终究都需求经过各种观测来证明,也就是查验模型是否能解说地球内部运动的实践情况。

地震学也是研讨地幔对流常用的办法。经过地震波咱们既能够看到爬升板块向下运动所抵达的方位、怎么穿过界面、抵达核幔鸿沟堆积的形状是什么样,也能够看到地幔热柱起源于哪儿、上升的形状是什么样等等。地震学是一种直接观测形状的办法。

此外,还有一种办法是化学地球动力学,也就是经过追寻地表元素搬迁,来估测地球内部的运动。“这三种办法中,数值模仿办法是现在运用最多的办法。”冷伟说。

倪四道也标明,研讨地幔对流的办法有多种,包含地球动力学数值模仿、试验室物理模仿、高温高压试验丈量矿藏岩石的流变性质、地震波成像、地球化学剖析、大地丈量学的大地水准面与重力场剖析等。其间,地震学在研讨地幔中发挥着极为重要的效果,地震波具有穿透全球的优势,能够对地幔进行成像,勘探地幔的纵向和横向的不均匀性。

现在,地震学研讨标明,上地幔高度杂乱,下地幔相对简略,但下地幔的底部也非常杂乱。地幔在各个标准上均具有杂乱性。爬升板块能够穿过地幔过渡带进入下地幔,地幔热柱也能够从下地幔穿过地幔过渡带进入上地幔,地震学者们底子取得了一致意见。可是,在详细的元素散布、内部化学反常体的结构与构成等问题上还存在争议,需求进一步研讨。

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