新的研究表明，在地球的地函中仍然存在忒伊亞（Theia）的大量殘留物，忒伊亞是一個火星大小的天體，與地球相撞後形成了月球。這些殘餘物被認為與地震異常現像有關，可以讓人們了解地球的地質歷史和板塊構造模式。

數十億年前忒伊亞與地球相撞的藝術印象。圖片來源：Hongping Deng 與杭州球體工作室

科學家將太陽系的誕生時間定為大約45.7 億年前。大約6000 萬年後，幼年地球與一個火星大小的天體”忒伊亞”發生了”巨大撞擊”，產生了月球。

現在，發表在《自然》（Nature）上的最新研究表明，與年輕地球相撞形成月球的大型天體的殘骸仍可在地球深處辨認出，即兩個大腫塊。這些腫塊約佔地球地函體積的8%，地函是地球鐵核和地殼之間的岩石區。

亞利桑那州立大學和加州理工學院的Qian Yuan領導的這項新研究認為，這種碰撞產生的熱量不足以熔化整個地幔，因此最內層的地幔仍然是固體。

忒伊亞與地球碰撞形成月球的高解析度電腦模擬圖

研究人員說，因此，忒伊亞熔化的地函並沒有完全與地球的地函混合。這樣一來，忒伊亞殘留物與地球地函整體上就無法區分了。相反，大量的忒伊亞地函最終變成了兩個大陸大小的腫塊，現在位於地核-地函邊界之上。

Yuan認為，這些腫塊與幾十年前發現的兩個大型低速帶（LLVPs）相對應，並且可以解釋這兩個低速帶的存在：一個位於太平洋下方，另一個位於非洲和東大西洋下方。這項發現歸功於人們的觀察，即地震產生的振動（即地震波）穿過這些區域的速度比穿過”正常”下地函的速度稍慢。

地球內部地層。資料來源：美國國家航空暨太空總署

以往低地函層的解釋包括：每一層都是大洋板塊俯衝的深層堆積（板塊構造將洋底拖到大陸下方）。或者它們是異常熾熱的下地函開始以”超級岩漿柱”（部分熔融岩石的巨大噴流）的形式上升的地方。

然而，這兩種模型都無法解釋低地函層上的海洋島嶼噴發的熔岩中氦和氙等揮發性元素的奇特富集現象。Yuan認為，這些都是忒伊亞在與地球碰撞之前在年輕太陽周圍的氣體和塵埃中生長的”指紋”。

團隊運行的電腦模型表明，形成月球的巨大撞擊不會產生足夠的能量來熔化整個地函。相反，忒伊亞地函熔化後的殘留物（含鐵量略高於地球地函，因此密度比地球地函大）最終被放置在了撞擊形成的臨時岩漿海洋的底部。

後來，在岩漿海凝固後，忒伊亞的物質被對流捲入地球地函的下部，即使在固體地函中，對流的流速也達到了每年幾公分。

這些對流可能花了數十億年的時間才把忒伊亞物質堆積成我們今天看到的低地殼。即使這是真的，也不應該把它們看作是在撞擊中倖存下來的大塊忒伊亞地幔。相反，它們是由最初分散的忒伊亞地函物質重新聚集而成的。

加州理工學院的研究團隊透過電腦模擬對此進行了解釋

說到這個理論，大多數科學家都需要大量的說服工作。錢元預測，如果他的假設是正確的，那麼未來任務收集到的月球地函樣本將與低地殼火山岩中發現的地球化學指紋相吻合。我認為這個證明還需要很長時間。

Yuan 的模型似乎沒有提到忒伊亞核心的命運，科學家通常認為忒伊亞的內核在碰撞後的幾個小時內與地球的內核合併了。

目前還不清楚如果地球地函的下半部仍然是固態的，這又是如何發生的。另一方面，忒伊亞的撞擊發生在地球本身形成（可能是由一系列單獨的撞擊形成）之後不久，地球內部在這些事件之後可能仍然是高溫熔融的。

這項模型的影響值得深思。首先，忒伊亞地函物質緩慢地堆積到低緯度地區會對高處的板塊構造模式產生任何影響嗎？如果忒伊亞沒有在45 億年前撞擊原地球，我們今天可能不會有大西洋。

作者：戴維-羅瑟裡（David Rothery），開放大學行星地球科學教授。