圖片來源：Unsplash+
撰文 | 二七
審校 | clefable
1909年10月8日，克羅埃西亞庫帕河谷發生了一場大地震。藉助這次地震，當時克羅埃西亞地震局的負責人安德里亞·莫霍洛維奇（Andrija Mohorovičić）得到了一個深入研究地震波傳播規律的機會。
莫霍洛維奇使用了來自多個地震站點的資料，這些站點會測量地震產生的縱波和橫波到達自己所在點位的時間。在分析資料時，莫霍洛維奇發現了一些異常現象：一些距離震中更遠的地震臺，反而更早記錄到了地震波的到達。
為了解釋這一現象，莫霍洛維奇提出了一個大膽的假設：在地球的淺表部分存在一個顯著的速度介面，地震波穿過這一介面時，傳播速度會突然增大。因此，對於更近的地震臺，地震波只在淺層的地速區域穿行，而對於更遠處的地震臺，地震波可以穿過這一介面，以更高的速度在地球更深處傳播，就像是中途駛上了高速公路。
圖片來源：Brews ohare/wikipedia
隨後的大量研究證實了莫霍洛維奇的假設，事實上，他計算出的這處介面正是地殼與地幔的分介面，為了紀念他的貢獻，這也被命名為莫霍面。
就像莫霍洛維奇一樣，如今大量地球物理學家依然在藉助地震波，瞭解地球內部的構造。地球內部的能量釋放就會產生地震波。就像所有波一樣，地震波在地球內部傳播時，會因為介質的密度而改變速度和路徑。地震臺可以記錄下不同種類的波抵達的時間，根據這些記錄，地球物理學家就能反推出這些波走過的路徑，從而瞭解地球內部發生了什麼。然而，在最近一項發表於《科學報告》（Scientific Reports）的研究中，地震波卻帶來了更多的問題：科學家利用地震波在地幔深處發現了許多以前從未見過的斑塊。
奇怪的區域
當兩個板塊的邊界處相遇，一個板塊向下插入另一塊板塊之下，這就是“板塊俯衝”過程。在地幔中，這些俯衝下來的大洋板塊往往表現為較冷、較高密度的區域。地震波穿過它們時，往往傳播得更快，因此這裡也被稱為正波速異常區。
過去的研究認為，地幔中的正波速異常主要來自俯衝板塊。然而在這項新研究中，研究者在下地幔發現了大量前所未見的正波速異常區域。在這些區域中，最密集的一處是位於西太平洋下方，距地表900~1200千米深處的一處大型異常。但問題在於，這裡遠離板塊邊界，在地質歷史上，也沒有發生過板塊俯衝的證據。換句話說，這裡不應該有俯衝板塊進入地幔中。
圖片來源：Sebastian Noe / ETH Zurich
類似的異常也出現在大西洋和印度洋下方。研究團隊嘗試統計了在下地幔中檢測到的正波速異常，與過去2億年間俯衝帶的位置，他們發現兩者之間並沒有明顯的相關性。事實上，研究者依然無法確定他們發現的這些異常區域到底是什麼。
無法解釋
之所以能夠發現這些異常結構，是因為科學家團隊使用了一種高精度的新方法。傳統的地震波成像主要依賴於地震波的走時，也就是波從震源到達接收器的時間。然而這種方法只能利用有限的相位，而且對震源和接收器的分佈非常敏感。這就導致在某些區域的成像解析度很低，難以揭示地幔深處的細節。
為了克服傳統方法的侷限性，地球物理學家開發了一種精度更高的技術——全波形反演（Full-Waveform Inversion, FWI）。與傳統方法不同，全波形反演利用了地震波的完整波形資訊。這使得這種模型的計算量非常大，研究者為此使用了瑞士國家超級計算中心的Piz Daint超級計算機，終於看到了更高解析度、更全面的地幔結構。
這就像是一位醫生，幾十年來一直在用超聲波檢查血液迴圈，並且每一次都能準確找到他想找的動脈位置，瑞士蘇黎世聯邦理工大學教授、這項研究的作者之一安德烈亞斯·菲希特納 (Andreas Fichtner) 這樣解釋他們的發現，“突然，你給了他一個更好的檢查工具，他突然在大腿上看到了一條不該出現在那裡的動脈——這正是我們對這個新發現的感受。”
到目前為止，研究者只能嘗試推測這些異常區域的可能成因。但他們首先懷疑的，就是這些區域很可能並不是，或者並不全是俯衝板塊。一種可能性是，這些區域來自更古老的、富矽的地幔成分，這些成分自40多億年前地幔形成以來就一直存在，並且“倖存”到了今天。另一種可能是岩石圈的底部破裂分層，並沉入地幔，構成了這些異常區域。也有一種可能是這些區域的確與其他地區的俯衝作用有關，例如其中一些富含矽的岩石可能會在俯衝過程中形成一些富集區域，隨著地幔對流像大理石蛋糕一樣，在地幔中留下紋路。
然而，這些只是可能的理論。目前，這些區域的身份仍然是一個重大謎團。
參考連結：
https://watchers.news/epicenter/hidden-mantle-anomalies-detected-using-full-waveform-inversion/
本文來自微信公眾號“環球科學”。如需轉載，請在“環球科學”後臺回覆“轉載”，還可透過公眾號選單、傳送郵件到[email protected]與我們取得聯絡。相關內容禁止用於營銷宣傳。
戳圖片或閱讀原文
立即購買