科學家重新解釋地球內部的地震圖：科學家發現地震成像無視了水的存在

當地震發生時，附近的地震儀以地震波的形式獲取其振動。除了揭示地震的震中之外，地震波還可以為科學家提供一種繪製地球內部結構的方法，就像CT掃描對人體進行成像一樣。

通過測量地震波在不同深度行進的速度，科學家們可以確定位於地球表面之下的岩石和其他材料的類型。這種地震圖的準確性取決於科學家對各種材料如何影響地震波速度的理解。

現在麻省理工學院和澳大利亞國立大學的研究人員已經發現，地震波對於整個地球內部發現的一種非常普通的物質來說基本上是盲目的：水。

他們今天發表在「 自然 」雜誌上的研究結果違背了一般假設，即地震成像可以在地球上地幔深處發現水跡。實際上，研究小組發現即使是微量的水對地震波的傳播速度也沒有影響。

這些結果可能有助於科學家重新解釋地球內部的地震圖。例如，在海洋深處等地方，來自地球深處的岩漿通過海底的巨大裂縫噴涌而出，從海脊向外擴散，最終形成新的洋殼。

在地表以下幾十公里處的融化過程可以去除在更深處岩石中發現的微量水。科學家們認為，地震圖像顯示了這種「濕 - 干」過渡，對應於從剛性構造板塊向下的可變形地幔的過渡。然而，研究小組的研究結果表明，地震成像可能正在吸收不是水的跡象，而是融化 - 熔化的岩石小口袋。

「如果我們看到[地震速度]非常強烈的變化，那麼它們很可能會融化，」麻省理工學院地球，大氣和行星科學系的研究科學家Ulrich Faul說。「基於這些實驗的水，不再是這個意義上的主要參與者。這將改變我們如何解讀地球內部的圖像。「

福爾的共同作者是主要作家克里斯托弗克萊恩，以及澳大利亞國立大學的伊曼紐爾大衛，安德魯貝里和伊恩傑克遜。

地震扭曲

Faul，Cline和他們的同事最初著手確定水是如何影響地震波速度的。正如大多數研究人員所認為的那樣，他們認為地震成像可以「看到」水，以岩石中單個礦物顆粒內的羥基形式存在，並且可以作為分子尺度的水俘獲在這些顆粒之間。據了解，即使水量很少，也會削弱地球內部深處的岩石。

「據了解，水對岩石性質的影響非常小，」Faul說。「從那裡，推斷是水也會大幅影響地震波速度。」

為了測量水對地震波速度的影響程度，該團隊生產了不同的橄欖石樣品 - 一種構成地球上部地幔大部分的礦物，並決定其性質。他們在每個樣品中捕集了不同數量的水，然後將樣品一次放入一台設計用於緩慢扭轉岩石的機器中，類似於扭動橡皮筋。這些實驗是在高壓和高溫爐中完成的，目的是模擬地球深處的條件。

「我們扭曲樣品的一端，並測量在另一端產生的應變的大小和時間延遲，」Faul說。「這模擬地震波在地球上的傳播。這種應變的大小類似於人的頭髮的寬度 - 在2000倍大氣壓的壓力和接近鋼的熔化溫度的溫度下測量不太容易。「

研究小組期望找到給定樣品中的水量與地震波在該樣品中傳播的速度之間的相關性。當最初的樣本沒有顯示預期的行為時，研究人員修改了構圖並再次測量，但他們一直得到相同的負面結果。最終，原來的假設是不正確的，這是不可避免的。

「從我們的[扭曲]測量結果來看，儘管我們可以清楚地分析那裡的水，但岩石表現得好像是乾燥的，」Faul說。「那時候，我們知道水沒有任何區別。」

一塊石頭，被包住

實驗的另一個意想不到的結果是地震波速度似乎取決於岩石的氧化狀態。地球上的所有岩石都含有一定量的鐵，處於各種氧化狀態，正如汽車上的金屬鐵在暴露於一定量的氧氣時會生鏽一樣。研究人員幾乎無意中發現，橄欖石中鐵的氧化會影響地震波穿過岩石的方式。

Cline和Faul在重新配置他們的實驗裝置後得出了這個結論。為了進行他們的實驗，該團隊通常將每個岩石樣品裝入由鎳和鐵製成的圓柱體中。然而，在測量每個樣品在這個圓筒中的含水量時，他們發現水中的氫原子傾向於通過金屬外殼逸出岩石。為了容納氫氣，他們將外殼換成鉑制的外殼。

令他們驚訝的是，他們發現樣品周圍的金屬類型影響了它們的地震屬性。單獨的實驗表明，實際上改變的是橄欖石中Fe3 +的量。通常橄欖石中鐵的氧化態為2+。事實證明，Fe3 +的存在會產生影響地震波速度的缺陷。

Faul表示，該小組的研究結果表明，地震波可能用於繪製氧化水平，例如在俯衝帶 - 地球上大洋板塊沉入地幔的區域。但是，根據它們的結果，地震成像不能用於對地球內部的水分分布進行成像。一些科學家解釋為水的事實上可能會被融化 - 這種洞察力可能會改變我們對地球隨著時間的推移如何轉變其構造板塊的理解。

「一個潛在的問題是潤滑地球上的構造板塊，」Faul說。「我們的工作指出了構造板塊底部的少量熔體的重要性，而不是干板下的濕地幔。總的來說，這些結果可能有助於闡明內部與地球表面之間的不穩定循環。「

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