地心歷險記：核幔邊界地形起伏及D『』層結構
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儒勒.凡爾納在科幻經典作品《地心歷險記》中描述了地球內部的奇幻世界。主人公經過一個神秘的火山口，到達了地球深部，那裡不僅有炙熱的岩漿、大片的海洋，還有各種奇怪的生物。小說中地球內部和表面一樣多姿多彩。但真實的情況真是這樣嗎？能找到這樣一個直通地球內部的火山口嗎？《地心歷險記》的主人公終究沒能到達地球中心。在凡爾納生活的18世紀末，人們對地球深內部的認識非常有限。
核幔邊界（CMB)是地球內部變化最劇烈的物質和溫度分界面：其上是固態硅鎂質的地幔，其下為快速對流的液態鐵合金外核。2891千米，這是核幔邊界離我們地球表面的距離。這個距離等同於廣州到哈爾濱的直線距離，搭乘飛機只需要4個多小時。然而，從地球表面到核幔邊界，幾十年來人們卻只走了十幾千米。原因在於地球的壓力和溫度隨深度不斷增加：CMB的壓強約120 吉帕（相當於250頭成年大象一起站在一個高跟鞋上，鞋尖所承受的壓力），溫度約3500開爾文，遠超過現階段科技手段能直接到達的極限。我們對CMB最直接的了解來源是地震波，通過研究地震波穿過這一區域的時間以及波形的變化，我們知道CMB並不是一個簡單平滑分界面，CMB不僅有幾千米的起伏，而且在其上方的下地幔底部區域隱藏著地球變化最劇烈的區域。而CMB的結構不僅直接決定了地球內部的熱傳導，進而影響地球的磁場，同時也影響了地球自轉變化。
1942年前美國地震學家布倫將地球內部分為A-G層，其中整個下地幔為D層。後來的工作發現相對於比較簡單的下地幔上半部分，下地幔底部更為複雜。在1950年，布倫進一步將下地幔底部到CMB的這200～400千米劃分為D""層，見圖1。通過類似於醫學CT的地震層析成像方法，可以獲得地球在1000千米尺度上的大結構。我們知道D""層分布了各種尺度上的結構體，遠比地球表面複雜。
在CMB附近，最明顯的一類異常是分別位於非洲和太平洋下方的大尺度剪切低速異常體（LLSVP），見圖2，其高度達1000千米，橫向覆蓋達到幾千千米，分布在CMB的一半面積上。究竟是什麼原因造成了這個和青藏高原面積相當但高度是其200倍的低速異常體呢? 通過進一步地震學精細工作，發現LLSVP具有比較陡峭的邊界和比較大的密度。這種結構在動力學上很難由純熱異常所引起的地幔對流形成，而需要LLSVP與周圍物質的化學成分不同來解釋。在地表我們也觀測到一些溫度比周圍高、化學組分與一般地幔岩漿不同的「熱點」，例如夏威夷火山等。這些熱點和LLSVP的邊界在空間上有很好的相關性，因此推測部分火山很可能起源於LLSVP或者直接由CMB上升熱的地幔柱形成。也許凡爾納是對的，確實有一個連接下地幔和地表的管道。這一管道就是地幔柱，但其並不是中空的通道，只是溫度比周圍地幔更高而已。
在CMB上另一類結構是環太平洋的高速異常，其在空間上和中生代晚期（約150百萬年）以來的俯衝板片有很好的相關性，因此推測這一高速異常是俯衝到CMB的冷的大洋板片。而這一高速異常和D"不連續面也有一定的空間對應。D"不連續面的高度通常為200～300千米。跨過這一不連續面，橫波波速有1%～3%的跳變。然而D"不連續面並不是全球存在的。在大尺度上，觀測到在波速較大（冷的）區域，D"不連續面較淺；在波速較小（熱的）的區域，該不連續面更接近CMB或消失。因此，地震學上推測D"不連續面和下地幔底部的固態相變相關，這也被近期在礦物物理上發現的從布里基曼石到後鈣鈦礦的相變所證實。凡爾納只寫到地球深部的物質上涌到地表，但實際上整個地球是個動態交換的系統，地球深部的部分物質也有可能源自地表。
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除了上述LLSVP與俯衝板片大尺度的異常體之外，通過更細緻的地震波波形模擬工作，發現D"層區域存在著更小尺度的異常體。D"不連續面的高度可能會在橫向100千米的範圍內變化超過100千米，就像高山峽谷相伴而生；同樣在LLSVP範圍內也發現了D"不連續面，這個結果很難簡單地用之前提到的固態相變來解釋。我們也發現CMB另一類的小尺度異常體：超低速體（ULVZ）。相對於周圍地幔，其橫波波速減低10%～30%，高度5～100千米。儘管ULVZ尺度很小，但由於其物理性質的特殊性，因此引起了廣泛關注。現階段主要認為ULVZ可能是由於部分熔融造成，或者由於富鐵礦物所致。考慮到CMB是一個等溫面，無論ULVZ是哪種成因所致，都代表了D"層內存在著很強的化學成分不均勻性。在更小尺度上，通過對高頻地震波的觀測，發現在D"層中可能存在更小（千米）尺度上不均勻體。而這表明，在核幔、地球早期結晶分異和地幔對流的共同作用下，在D"層內存在著各種尺度上的化學成分和熱學的不均勻。
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D" 層是我們認識地球漫長演化歷史和現今過程最重要的窗口。雖然凡爾納的想像似乎與真實的觀測大相徑庭，但我們目前的認識仍很有限。地震學提供了D"層觀測的關鍵手段，但是一方面受制於天然地震的分布，另一方面受制於地震台站的分布，需要在不斷提高地震學的成像手段的基礎上，加強台網特別是海底地震台網的建立。大地測量學、地磁學也提供了D"層觀測研究的有效手段，與地震學一起了構成了地球深內部觀測研究的支柱學科。綜合地球動力學、礦物物理學和地球化學等多學科，在不遠的未來有望建立起一個真正通向認識地心的「管道」。
致謝：感謝國家973計劃課題「核幔邊界地形起伏及D"層結構研究」（課題編號：2014CB845901）的支持。
專家簡介
孫道遠：中國科學技術大學教授；
孫新蕾：中國科學院廣州地球化學研究所研究員；
楊欣穎：中國科學技術大學特任副研究員；
倪四道：中國科學院測量與地球物理研究所研究員。
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