玻利維亞的大地震揭示了我們腳下660公里的山脈

大多數(shù)小學生都知道地球有三層(或四層):地殼、地幔和地核，有時又細分為內(nèi)核和外核。這沒有錯，但它確實錯過了科學家在地球上發(fā)現(xiàn)的其他幾個層次。

在本周發(fā)表在《科學》雜志上的一項研究中，普林斯頓地球物理學家杰西卡歐文和吳與中國大地測量與地球物理研究所的司道妮合作，利用玻利維亞大地震的數(shù)據(jù)尋找一樓的山脈和其他地形。向下660公里(410英里)，分離上地幔和下地幔。(由于缺乏這一層的正式名稱，研究人員簡稱為“660公里邊界”。)

為了深入地球，科學家們使用地球上最強大的波，這些波是由大地震產(chǎn)生的。地球科學助理教授歐文說：“你想要一場大而深的地震來震動地球。

歐文說，大地震比小地震強大得多——能量增加30倍，每一步都是里氏震級——而深地震，“與其在地殼中消耗能量，不如得到整個地幔”。她說，她從7.0級或更高的地震中獲得了最好的數(shù)據(jù)，因為它們來自四面八方的沖擊波可以通過地核傳播到地球的另一邊——然后再返回。在這項研究中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)來自1994年震撼玻利維亞的8.2級地震引起的波浪，這是歷史上第二大地震記錄。

“這次大地震不會頻繁發(fā)生，”她說?！皩ξ覀儸F(xiàn)在來說幸運的是，我們擁有比20年前更多的地震儀。地震學與20年前不同，在儀器和計算資源之間?！?

地震學家和數(shù)據(jù)科學家使用強大的計算機，包括普林斯頓的老虎超級計算機集群，來模擬地球深處散射波的復雜行為。

這項技術(shù)依賴于波的基本特性：它們彎曲和反彈的能力。就像光波通過棱鏡時可以從鏡子反射(反射)或彎曲(折射)一樣，地震波直接通過均質(zhì)巖石，但遇到任何邊界或粗糙度時都會被反射或折射。

“我們知道幾乎所有的物體都有表面粗糙度，所以它們會散射光，”新論文的第一作者吳剛說，他剛剛完成地球科學博士學位?，F(xiàn)在他是加州理工學院的博士后研究員。“這就是為什么我們可以看到這些物體——帶有表面粗糙度信息的散射波。在這項研究中，我們研究了在地球內(nèi)部傳播的散射地震波，以抑制地球660公里邊界的粗糙度?！?

研究人員對這個邊界的粗糙度感到驚訝——它比我們生活的表層更粗糙?！皳Q句話說，比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更堅固的地形位于660公里的邊界，”吳碩說。他們的統(tǒng)計模型無法精確確定高度，但這些山脈可能比地球表面的任何東西都大。粗糙度分布也不均勻；就像地殼表面有光滑的海底和山脈一樣，這660公里的邊界也有粗糙的區(qū)域和光滑的斑塊。研究人員還檢查了中地?！斑^渡帶”頂部410公里(255英里)的層，他們沒有發(fā)現(xiàn)類似的粗糙度。

“他們發(fā)現(xiàn)地球的深層和我們在地表觀察到的一樣復雜，”地震學家克里斯汀豪斯說，她是東京理工大學的助理教授，沒有參與這項研究?！巴ㄟ^使用穿過整個地球并返回的波浪，在400英里(660公里)深的邊界上發(fā)現(xiàn)2英里(1-3公里)的海拔變化，這是一個鼓舞人心的壯舉.他們的研究結(jié)果表明，當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震儀器變得更加復雜，并擴展到新的領(lǐng)域，我們將繼續(xù)探測新的小尺度信號，揭示地球?qū)拥男绿卣??！?

這是什么意思？

660公里邊界上的粗糙度對于理解我們的星球是如何形成并繼續(xù)運行的具有重要意義。這層將占地球體積約84%的地幔分為上半部分和下半部分。多年來，地球科學家一直在爭論邊界的重要性。特別是，他們研究了熱量是如何穿過地幔的——熱巖石是否從地核-地幔邊界(向下近2000英里)延伸到地幔頂部，或者傳遞是否在這層。一些地球化學和礦物學證據(jù)表明上地幔和下地幔在化學上是不同的，這支持了這兩部分不會熱混合或物理混合的觀點。

“我們的研究結(jié)果為這個問題提供了見解，”吳碩說。他們的數(shù)據(jù)顯示，這兩組可能是部分正確的。60公里邊界的平坦區(qū)域可能是由于更徹底的垂直混合造成的，而更粗糙的山區(qū)可能形成上地幔和下地幔不會混合的地方。

此外，研究人員發(fā)現(xiàn)的粗糙、中小尺度粗糙度理論上可能是由熱異?；蚧瘜W非均勻性引起的。然而，由于熱量在地幔中傳輸，吳解釋說，任何小規(guī)模的熱異常都將在一百萬年內(nèi)被消除。這只能留下化學差異來解釋他們發(fā)現(xiàn)的小尺度粗糙度。

什么可能導致顯著的化學差異？曾經(jīng)屬于地殼的巖石的引入現(xiàn)在正在地幔中安靜地休息。長期以來，科學家們一直在討論海底板塊的命運，它們在俯沖帶被推入地幔，并在太平洋和世界其他地方相撞。吳和歐文認為，這些板塊的殘余現(xiàn)在可能就在660公里的邊界之上或之下。

“這很容易假設(shè)，因為我們只能檢查

測當前狀態(tài)下穿過地球的地震波，地震學家無法理解地球內(nèi)部在過去45億年中的變化，”歐文說。“這些結(jié)果令人興奮的是，它們?yōu)槲覀兲峁┝诵碌男畔?，以便了解古代?gòu)造板塊的命運，這些板塊已經(jīng)下降到地幔中，并且古代地幔物質(zhì)可能仍然存在。”

她補充說：“當?shù)卣饘W讓我們在空間和時間上更好地了解我們星球的內(nèi)部時，地震學是最令人興奮的。”