让我们来一次深入地球深处的旅行，穿过地壳和地幔，来到接近地核的地方。我们的工具是地震波，因为地震发生后，地震波会在地球上回荡，并像雷达波一样揭示地球的内部结构。
在靠近地心的地方，有一些区域的地震波慢到了极点。犹他大学的新研究发现，这些神秘的、被描述为超低速区的区域令人惊讶地存在分层结构。建模表明，这些区域中有一些可能是形成地球早期过程的残余物——不完全混合的残余物，像一碗面糊底部的面粉团。
地质与地球物理学系副教授迈克尔·s·索恩说:“在我们所知道的地幔深处的所有特征中，超低速带可能代表是地球上最极端的特征。”
这项研究发表在《自然地球科学》杂志上，由美国国家科学基金会资助。
进入地幔
让我们回顾一下地球内部是如何构成的。我们生活在地壳上，地壳是一层薄薄的坚硬岩石。在地壳和地球中心的铁镍地核之间是地幔。它不是一个熔岩的海洋——相反，它更像坚硬的岩石，但很热且具有移动的能力，驱动地球表面的板块构造。
我们怎么知道地幔和地核的情况呢？利用地震波。当地震波在地震后穿过地球时，地面上的科学家可以测量地震波到达世界各处监测站的方式和时间。通过这些测量，他们可以反向计算出地震波是如何被地球内部的结构反射和偏转的，包括不同密度的结构层。这就是我们如何知道地壳、地幔和地核之间的边界的，以及如何部分地知道它们是由什么组成的。
超低速带位于地幔的底部，在液态金属外核的顶部。在这些地区，地震波的速度减慢了一半，而密度却增加了三分之一。
科学家们最初认为，这些区域是地幔部分熔化的地区，也可能是冰岛等所谓的”热点”火山地区的岩浆来源。
索恩说：“但大多数我们称之为超低速带的东西似乎并不位于热点火山下面，所以这不是全部。”
因此，索恩和同事们开始探索另一种假设：超低速度带可能是由不同于地幔其他部分的岩石组成的区域，它们的组成可能追溯到早期的地球。
索恩说，或许，超低速带可能是氧化铁的集合，氧化铁在我们通常看到的是铁锈状，但它在地幔深处可能表现为一种金属。如果是这样的话，这些地核外的氧化铁可能会影响地核下方产生的地球磁场。
“超低速带的物理性质与它们的起源有关。”研究人员说，“这反过来又提供了关于地球最下层地幔的热化学状态、演化和动力学的重要信息——地幔对流是驱动板块构造的重要组成部分。”
逆向工程
为了获得清晰的图像，研究人员研究了澳大利亚和新西兰之间的珊瑚海下面的超低流速区。这是一个理想的位置，因为该地区地震丰富，提供了地核-地幔边界的高分辨率地震图像。他们希望高分辨率的观测可以揭示更多关于超低速带是如何形成的。
但要在近1800英里的地壳和地幔中获取地震图像并不容易。这也并不是绝对不行——一层较厚的低速材料可能会像一层较薄的低速材料一样反射地震波。
因此，该团队使用了一种逆向工程方法。
“我们可以建立一个包括超低波速衰减在内的地球模型。”研究人员说，“然后运行计算机模拟，告诉我们如果这就是地球实际的样子，地震波形会是什么样子。”我们的下一步是将这些预测的波形与我们实际观察到的波形进行比较。”
经过数十万次模型运行，这种被称为“贝叶斯反演”的方法产生了一个数学上稳健的内部模型，它对模型中不同假设的不确定性和权衡有很好的理解。
研究人员想要回答的一个特别问题是，在超低速带内是否存在内部结构，比如分层结构。根据这些模型，答案是极有可能存在。
“据我们所知，这是第一次在如此详细的层面上使用贝叶斯方法来研究超低速带，也是第一次在超低速带中证明了强分层。”
回顾地球起源
有可能的分层结构意味着什么呢？
40多亿年前，当稠密的铁沉入早期地球的核心，而较轻的矿物漂浮到地幔时，一个与火星差不多大的行星物体可能撞上了这个新生的行星。这次碰撞可能将碎片抛入了地球的轨道，这些碎片后来可能形成了月球。它还大大提升了地球的温度。
这次撞击形成了大量的熔融物质，被称为“岩浆海洋”，由悬浮在岩浆中的岩石、气体和晶体组成。
“岩浆海洋”在冷却时会自行分层，致密的物质下沉并堆积在地幔底部。
在接下来的数十亿年里，随着地幔的搅动和对流，稠密的地幔层被推成小块，呈现出我们今天看到的层状超低速度带。
其中最主要和最令人惊讶的发现是，超低速度区并不是均匀的，但在其中包含了很强的异质性（结构和成分的变化）。这一发现改变了对超低速区的起源和动力学的看法。这种超低速度带可以用地球历史之初产生的化学异质性来解释，而且经过45亿年的地幔对流，它们仍然没有很好地混合。
不是最后的定论
这项研究为超低速带的起源提供了一些证据，尽管也有证据表明其他超低速带有不同的起源，比如沉入地幔的海洋地壳的熔化。如果有一些超低速区是早期地球的遗留物，那么它们就保留了地球的一些历史信息。
（独家编译：科幻世界）
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