地殼俯衝板塊可能在地核附近產生不尋常的特徵

在離地表近1800英里的地方，地幔底部潛伏著巨大而奇特的結構，就在地核上方。地幔是圍繞地核的一層厚厚的熱，主要是塑料岩石，地幔之上是地殼的薄殼。在地質時間尺度上，地幔就像一種粘性液體，固體元素在其深處下沉並上升。上述奇怪的結構被稱為超低速度帶(ULVZs)，首次發現於1995年，由加州理工學院的Don Helmberger。ULVZs可以通過測量它們如何改變穿過它們的地震波來研究。但觀察不一定是理解。事實上，沒有人確切知道這些結構是什麼。

博科園-科學科普：ULVZs之所以被稱為ULVZs，是因為它們顯著降低了地震波的速度；例如它們可以使橫波(能夠在固體中移動的振蕩地震波)慢30%之多。ULVZs有幾英里厚，可能有數百英里寬。有一些分布在環太平洋的地核附近。其他的分布在北美、歐洲和非洲下面。Smits家庭地球物理學名譽教授Helmberger說：ULVZs存在於地球內部如此之深，以至於無法直接進行研究，這對確定它們究竟是什麼構成了重大挑戰。加州理工學院的地球科學家們現在說，他們不僅知道ULVZ是由什麼構成的，而且知道它們的來源。

研究人員利用高壓下的實驗方法，在礦物物理學教授詹妮弗·傑克遜(Jennifer Jackson)的帶領下，發現超低真空帶由一種名為鎂鐵氧化物(Magsiowüstite)的鎂/鐵氧化物礦物組成，這種礦物可能是從岩漿海洋中沉澱出來的，據信這種物質存在於數百萬年前的地幔底部。另一種關於ULVZs形成的主要理論認為，它們是由熔化的物質組成的，其中一些物質可能從岩心漏出。Jackson和同事最近在《地球物理研究》上發表了一篇論文，通過研究礦物的彈性(或地震)各向異性發現了支持鎂橄欖石理論的證據；彈性各向異性是地震波通過礦物的速度隨運動方向的變化而變化。

將鎂橄欖岩樣品置於高壓下進行研究。圖片：Jennifer Jackson/Caltech

ULVZs存在區域的一個特別不尋常特徵（核-幔邊界(CMB)）是高度異質性(性質不均勻)和各向異性的。因此，地震波穿過微波的速度不僅取決於地震波穿過的區域，還取決於地震波運動的方向。實際上，傳播方向可以把波的速度改變三倍。此前，科學家解釋說，各向異性是地震波穿過高密度硅酸鹽物質的結果。在一些地區，這主要是由於在ULVZs中鎂橄欖石的排列。在地球表面所經歷的壓力和溫度下，鎂橄欖石表現出很少的各向異性。然而，傑克遜和她的研究小組發現，當受到與地幔下部相似的壓力時，這種礦物質變得強烈的各向異性。

傑克遜和同事們將一塊鎂橄欖石晶體放入一個鑽石砧狀細胞中，發現了這一點。當剛性鑽石相互擠壓時，腔內的壓力就會上升。傑克遜和同事隨後用x光轟擊樣本。x射線與樣品之間的相互作用就像地震波如何穿過材料一樣。在400吉帕拉斯- - -相當於下部地幔-鎂橄欖岩的壓力時，ULVZs的各向異性明顯大於地震觀測。為了創造出像ULVZs那樣大而強的各向異性的物體，只有少量的鎂橄欖石晶體需要向一個特定的方向排列，這可能是由於外力的作用。這可以用地殼俯衝板塊推入CMB來解釋。

俯衝發生在地球構造板塊之間的特定邊界，一個板塊俯衝到另一個板塊之下，引發火山活動和地震。科學家們仍在探索地殼俯衝到地幔時會發生什麼。我們的研究現在看來支持的一種可能性是，這些板塊一路推到地核-地幔邊界，幫助形成ULVZs。接下來，Jackson計劃探索俯衝板塊、超深部震源和它們的地震特徵之間的相互作用。對這些特徵的解釋將有助於約束地球歷史早期發生的過程。

博科園-科學科普｜研究/來自：加州理工學院

參考期刊文獻 :《地球物理研究》

DOI: 10.1029/2017JB015349

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