地球图层的动画。

由剑桥大学领导的新研究首次获得了地核边界层不寻常的岩石袋的详细“图像”，该岩石位于地表以下约 3000 公里处。

这个神秘的岩石区域几乎位于夏威夷群岛的正下方，是几个超低速区之一——之所以这样称呼，是因为地震波在穿过它们时速度变慢。

这项研究于 2022 年 5 月 19 日发表在《自然通讯》杂志上，首次详细揭示了其中一个口袋的复杂内部变化，揭示了地球深层内部的景观和其中运作的过程。

“在地球的所有深层内部特征中，这些是最迷人和最复杂的。我们现在有了第一个确凿的证据来证明它们的内部结构——这是地球深部地震学的一个真正的里程碑，“该研究的主要作者、剑桥大学地球科学系的博士生 Zhi Li 说。

地震波和地球深处的内部

地球的内部像洋葱一样分层：中心是铁镍核，周围环绕着一层厚厚的地幔，上面有一个薄薄的外壳——我们赖以生存的地壳。虽然地幔是坚固的岩石，但它的温度足以使流动非常缓慢。这些内部对流将热量输送到地表，驱动构造板块的运动并推动火山喷发。

科学家利用地震产生的地震波来“看到”地球表面以下——这些波的回波和阴影揭示了深部内部地形的类似雷达的图像。但是，直到最近，核-地幔边界（研究地球内部热流的关键兴趣区域）的结构“图像”一直是颗粒状的，难以解释。

本研究中使用的事件和 Sdiff 射线路径。A） 夏威夷超低速区中心的横截面切片，显示了 1D 地球模型 PREM 在 96°、100°、110° 和 120° 处的 Sdiff 波射线路径。虚线从上到下分别标记了 410 公里、660 公里和 2791 公里（地核-地幔边界上方 100 公里）。B） 背景层析成像模型SEMUCB_WM1 2791 公里深度的事件和 Sdiff 射线路径。以不同颜色绘制的事件沙滩球，包括 20100320（黄色）、20111214（绿色）、20120417（红色）、20180910（紫色）、20180518（棕色）、20181030（粉红色）、20161122（灰色）、站点（三角形）和本研究中使用的最下地幔中穿刺深度 2791 km 处的 Sdiff 波的射线路径。短期分析中使用的事件以黄色突出显示。建议的 ULVZ 位置以黑色圆圈显示。虚线显示了在 A 中绘制的横截面。图片来源：Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30502-5

研究人员使用最新的数值建模方法揭示了地核-地幔边界处的公里级结构。合著者 Kuangdai Leng 博士在牛津大学期间开发了这些方法，他表示：“我们确实在突破弹性动力学模拟的现代高性能计算的极限，利用以前未被注意或未使用的波对称性。目前在科学技术设施委员会工作的 Leng 说，这意味着与以前的工作相比，他们可以将图像的分辨率提高一个数量级。

夏威夷地下富含铁的成分

研究人员观察到，在夏威夷地下超低速区底部传播的地震波的速度降低了 40%。这支持了现有的说法，即该区域比周围的岩石含有更多的铁——这意味着它更致密、更缓慢。“这种富含铁的材料可能是地球早期历史中古代岩石的残余物，甚至铁可能以未知方式从地核泄漏，”剑桥地球科学的项目负责人 Sanne Cottaar 博士说。

夏威夷超低速区 （ULVZ） 结构的概念漫画。A） 夏威夷羽流底部核心-地幔边界上的 ULVZ（高度不按比例计算）。B） 放大建模的 ULVZ 结构，显示解释的俘获后行标波（请注意，分析的波具有水平位移）。

超低速区和火山热点之间的连接

这项研究还可以帮助科学家了解夏威夷群岛等火山链的下方是什么并产生了火山链。科学家们已经开始注意到，包括夏威夷和冰岛在内的描述性命名的热点火山的位置与地幔底部的超低速区之间存在相关性。热点火山的起源一直存在争议，但最流行的理论认为，羽流状结构将热地幔物质从地核-地幔边界一直带到地表。

现在有了夏威夷下方超低速区的图像，该团队还可以从可能是为夏威夷提供食物的羽流的根源中收集稀有的物证。他们对夏威夷地下致密、富含铁的岩石的观察将支持地表观测。“从夏威夷喷发的玄武岩具有异常的同位素特征，这可能指向早期地球起源或核心泄漏，这意味着堆积在底部的一些致密物质必须被拖到地表，”科塔尔说。

绘制 Core-Mantle 边界

现在需要对更多的地核-地幔边界进行成像，以了解是否所有表面热点的底部都有致密的物质袋。核-地幔边界的目标位置和方式确实取决于地震发生的地点，以及安装地震仪以记录地震波的位置。

该团队的观察增加了越来越多的证据，证明地球的深层内部与其表面一样多变。“这些低速区是我们在极深处看到的最复杂的特征之一——如果我们扩大搜索范围，我们可能会看到地核-地幔边界的结构和化学复杂性不断增加，”李说。

他们现在计划应用他们的技术来提高核-地幔边界处其他口袋成像的分辨率，以及绘制新区域的地图。最终，他们希望绘制跨越地核-地幔边界的地质景观，并了解它与地球动力学和演化历史的关系。

参考资料：Zhi Li、Kuangdai Leng、Jennifer Jenkins 和 Sanne Cottaar 于 2022 年 5 月 19 日发表的“夏威夷附近地核-地幔边界上的公里尺度结构”，Nature Communications。
DOI： 10.1038/s41467-022-30502-5