一項新研究表明，位於地核附近的早期地球的可能化學殘餘物可能是45億年前與一顆古老行星的碰撞所遺留下來的。猶他大學的研究人員在地幔深處發現了物質層，他們說這有助於解釋地球是如何演化的。

猶他大學地質學和地球物理學系副教授Michael S. Thorne說：“在我們所知道的深層地幔的所有特徵中，超低速區代表了可能是最極端的特徵。的確，這些是在地球上任何地方發現的最極端的一些特徵。”

這項研究發表在《自然-地球科學》上，由美國國家科學基金會資助。

地球的內部結構為一同心狀圈層構造，由地心至地表依次分化為地核、地幔、地殼。我們生活在地殼上，這是一層薄薄的固體岩石。在地殼和地球中心的鐵-鎳核心之間是地幔。它不是熔岩的海洋–相反，它更像固體岩石，但很熱，而且有能力移動，推動了表面的板塊構造。

我們怎麼能知道地幔和地核中發生了什麼？地震波。當地震發生後，地表的科學家可以測量地震波如何以及何時到達世界各地的監測站。根據這些測量結果，他們可以反算出地震波是如何被地球內部的結構（包括不同密度的地層）反射和偏轉的。這就是我們如何知道地殼、地幔和地核之間的邊界–以及部分我們如何知道它們是由什麼構成的。

超低速區位於地幔的底部，在液態金屬外核的頂部。在這些區域，地震波的速度減慢了一半，而密度增加了三分之一。

科學家們最初認為，這些區域是地幔部分融化的地方，可能是冰島等所謂“熱點”火山地區的岩漿來源。

“但是大多數我們稱之為超低速區的東西似乎並不位於熱點火山的下面，”Thorne說，“所以這不可能是全部的故事。”

因此，Thorne、博士後學者Surya Pachhai和來自澳大利亞國立大學、亞利桑那州立大學和卡爾加里大學的科學家們開始探索另一種假設：超低速區可能是由與地幔其他部分不同的岩石構成的區域–它們的組成可能可以追溯到早期地球。

Thorne說，也許超低速區可能是氧化鐵的集合，我們在表面看到的是鐵鏽，但在地幔深處可以表現為一種金屬。如果是這樣的話，就在地核外的氧化鐵“袋”可能會影響地球的磁場，而地球的磁場就在下面產生。

Pachhai說：“超低速區的物理特性與它們的起源有關，這反過來又提供了關於地球最下層地幔的熱和化學狀態、演變和動力學的重要信息–這是驅動板塊構造的地幔對流的一個重要部分。”

為了得到一個清晰的畫面，研究人員研究了澳大利亞和新西蘭之間的珊瑚海下面的超低速區。這是一個理想的地點，因為該地區有大量的地震，這提供了一個地核-地幔邊界的高分辨率地震圖片。人們希望高分辨率的觀測能夠揭示更多關於超低速區是如何組合在一起的。

但是，通過近1800英里的地殼和地幔獲得一個地震圖像並不容易。它也不一定是結論性的–厚厚的低速物質層可能與薄薄的更低速物質層一樣反射地震波。因此，該團隊使用了一種反向工程的方法。

“我們可以創建一個包括超低波速減少的地球模型，”Pachhai說，“然後運行一個計算機模擬，告訴我們如果地球真的是這個樣子，地震波形會是什麼樣子。我們的下一步是將這些預測的記錄與我們實際擁有的記錄進行比較。”

在數十萬次的模型運行中，這種被稱為“貝葉斯反演”的方法產生了一個數學上穩健的內部模型，對模型中不同假設的不確定性和權衡有很好的理解。

研究人員想要回答的一個特殊問題是，在超低速區中是否存在內部結構，比如說層。根據模型，答案是，層是非常有可能的。這是一個大問題，因為它為理解這些區域是如何形成的指明了方向。

Pachhai說：“據我們所知，這是第一個在這種詳細程度上使用貝葉斯方法來研究超低速區的研究，”它也是第一個證明超低速區內有強烈分層的研究。”

地球的起源

可能存在分层是什么意思？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天体可能撞上了这个新生的行星。这次碰撞可能将碎片扔进了地球的轨道，这些碎片后来可能形成了月球。它还显著提高了地球的温度–正如你所期望的那样，两颗行星相互撞击。

Pachhai說：“因此，形成了一大批熔融物質，被稱為岩漿海洋。”這個“海洋”將由懸浮在岩漿中的岩石、氣體和晶體組成。

海洋在冷卻過程中會進行自我“分類”，密集的物質會下沉並分層到地幔的底部。

在接下來的幾十億年裡，隨著地幔的攪動和對流，緻密層會被推成小塊，顯示為我們今天看到的分層超低速區。

Pachhai說：“因此，最主要和最令人驚訝的發現是，超低速區並不是同質的，而是在其中含有強烈的異質性（結構和成分的變化）。這一發現改變了我們對超低速區的起源和動態的看法。我們發現，這種類型的超低速區可以用地球歷史之初產生的化學異質性來解釋，而且在45億年的地幔對流之後，它們仍然沒有得到很好的混合。”

不是最後的結論

這項研究為一些超低速區的起源提供了一些證據，儘管也有證據表明其他超低速區有不同的起源，例如正在下沉到地幔中的海洋地殼的熔化。但是，如果至少有一些超低速區是早期地球的遺留物，那麼它們就保留了地球的一些歷史，否則就會丟失。

Pachhai說：“因此，我們的發現為了解地球地幔的初始熱和化學狀態以及它們的長期演變提供了一個工具。”