在2月15日《科學(xué)》雜志發(fā)表的一篇論文中，由中國科學(xué)家吳文波、倪四道和美國科學(xué)家歐文等共同組成的研究團隊稱，在地下約660千米的下地幔頂部的小尺度范圍內(nèi)存在大約1-3千米的地形起伏。

此前科學(xué)家已在更大尺度揭示地殼與地幔、上地幔與下地幔邊界的地形。這些大規(guī)模地形的高度與地球表面的地形起伏高度相當(dāng)。但是在小尺度范圍內(nèi)對上下地幔邊界地形起伏的研究一直是一個挑戰(zhàn)。

本次該研究團隊通過分析玻利維亞1994年發(fā)生的8.2級地震數(shù)據(jù)，首次提供了上下地幔邊界在千米尺度的地形證據(jù)。該地形與地球和其他行星表面的地形非常類似。

“高精度”地球邊界地形圖：左邊為喜馬拉雅山（地面最高峰）和馬里亞納海溝（地面最低點）；右邊是本次的最新研究成果（1-3km尺度地形起伏）

這個發(fā)現(xiàn)不僅支持了此前科學(xué)家提出的上地幔和下地幔之間部分阻塞或不完全環(huán)流的概念，同時也表明下地幔部分可能含有早期地球的歷史遺跡。

地球的結(jié)構(gòu)就像一個雞蛋

在先前研究中，科學(xué)家借助地震波在地球內(nèi)部不同部位的傳播特點，將地球內(nèi)部構(gòu)造從內(nèi)到外劃分為地核、地幔和地殼。其中，地殼和地幔以莫霍洛維奇不連續(xù)面（簡稱莫霍面）為界，地幔和地核以古登堡不連續(xù)面（簡稱古登堡面）為界。前者由前南斯拉夫?qū)W者莫霍洛維奇首次發(fā)現(xiàn)，深度在大陸之下平均約33千米；后者由美國科學(xué)家古登堡首先發(fā)現(xiàn)，位于地下2885千米的深處。

地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：地殼和地幔以莫霍面為界，地幔和地核以古登堡面為界；地殼厚度之于地球，就像蛋殼之于雞蛋。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

借助地震波研究，科學(xué)家們又將地幔分為上地幔和下地幔。目前人類所認識的地幔是什么樣子呢？科學(xué)家們給出了地幔的物質(zhì)構(gòu)成及其隨深度的變化情況：

上地幔是一種堅硬的巖石，主要由橄欖石和輝石混合物組成。隨著往下深度的增加，地球內(nèi)部的溫度和壓力隨之增大，其礦物性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。

從深度400千米開始，橄欖石結(jié)構(gòu)變化使得地幔的剛度和密度增加，導(dǎo)致地震波在該深度發(fā)生反射。在同樣的深度，輝石逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭袷?。該區(qū)域標(biāo)志著進入地幔過渡帶。

在660千米時，石榴石和橄欖石逐漸轉(zhuǎn)化為硅鈣石、氧化鎂和鈣鈦礦。這一區(qū)域被看作是上地幔到下地幔的正式過渡（上下地幔分界）。

下地幔則由80%以上的高粘度硅鈣石、17%的氧化鎂-氧化鐵及少量的鈣鈦礦的組成。

地核則按照固液態(tài)被分為外地核和內(nèi)陸核。外地核為液態(tài)，內(nèi)陸核為固態(tài)，均由高溫、高壓的鐵鎳等金屬物質(zhì)組成。

地幔中礦物相從上地幔到下地幔的劇烈變化，導(dǎo)致了地震波在其間傳播的波速和密度的變化。結(jié)合大量地震數(shù)據(jù)，科學(xué)家們認為，上地幔和下地幔之間邊界的深度約660千米。這也是該研究團隊選擇地下660千米進行研究的原因。

意外結(jié)果來自25年前的地震數(shù)據(jù)

地震是人們談之色變的名詞，但其所產(chǎn)生的地震波卻被稱為能照地球的“X光”。地震波是從震源向四處傳播的彈性波，按傳播方式分為縱波（P波）、橫波（S波）（縱波和橫波均屬體波）和面波（L波）三種類型。地震發(fā)生時我們看到的山崩地裂，房屋建筑倒塌的場景，實際上是由不同類型的地震波“分工協(xié)作”完成的。

縱波是推進波，在地下傳播速度最快，最先到達震中，它能夠使地面發(fā)生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波，在地下的傳播速度稍慢于縱波，第二個到達震中，它使地面發(fā)生前后、左右抖動，破壞性較強。面波是由縱波與橫波在地表相遇后激發(fā)產(chǎn)生的混合波，其波長大、振幅強，只沿地球表面?zhèn)鞑ィ窃斐山ㄖ飶娏移茐牡闹饕蛩亍?/p>

科學(xué)家正是巧妙的利用了不同類型地震波在地下傳播的特點，發(fā)現(xiàn)了地球的圈層結(jié)構(gòu)。

圖注：不同類型地震波在地下的傳播特點，圖中可見橫波無法在外核中傳播（速度為0），科學(xué)家們正是據(jù)此推測外核為液態(tài)。（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

像我們平常所見的水波、聲波、光波一樣，地震波也可以在不同介質(zhì)的界面上發(fā)生反射、折射和散射。水波遇到堤壩時會返回，地震波在遇到邊界面（例如地球表面）時也會發(fā)生反射。此次科學(xué)發(fā)現(xiàn)也正是應(yīng)用了地震波的這種反射特性。

當(dāng)發(fā)生里氏5.0級以上的地震時，震源處會向地球釋放大量的地震能量，這些能量以體波的形式向四處傳播。強烈地震（~7.0級）的P波可以經(jīng)過地核到達地球的另一邊，經(jīng)過地面反射之后返回。這些信號會被位于全球不同位置的2500多個地震監(jiān)測站接收，其中，震中距（地面觀測點和震源位置對地心的張角）在0°~40°范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)最清晰和精確。

在本次研究中，研究人員綜合2003年發(fā)生在南美洲瑪麗亞機場的里氏7.0級地震，以及2008年發(fā)生在鄂霍次克海里氏7.3級地震數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地震波在被地球另一側(cè)的地面反射之前，會先經(jīng)過另一次反射。通過對比兩次反射信號返回的時間差，確定該反射面正是地下660km處的上-下地幔分界面。

圖注：地震波在到達地球的另一面之前，提前被660km處的上-下地幔分界面散射。紅星表示震源，藍三角表示接收器。

基于此，該研究團隊進一步選取了1994年發(fā)生在玻利維亞的里氏8.2級地震數(shù)據(jù)進行分析。研究人員精選了位于玻利維亞和秘魯之間震中距在2°~10°范圍內(nèi)的共16個地震監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，嘗試從中獲取上下地幔分界面的“精細”地形。

圖注：同一個震源發(fā)出的地震波，一部分被上下地幔分界（660）反射，一部分被地球表面（surface）反射；被地幔分界面反射的會先返回。如果地震波被反射的分界面是光滑的，所有反射能量（反射信號）將同時到達接收器，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為一個單一的能量峰值。如果表面粗糙有起伏，能量將被分散從而表現(xiàn)出不穩(wěn)定。

在排除了同一監(jiān)測時段內(nèi)余震對地震數(shù)據(jù)的影響后，該團隊最終發(fā)現(xiàn)，在上下地幔的分界面上（亦稱“下地幔頂部”）存在1~3千米尺度的地形起伏。

探索地球的內(nèi)部

此前已有報道稱，科學(xué)家們進行了一項名為“國際海洋鉆探”的計劃，在海洋的地殼較薄處打穿地殼，進入地幔。該項目于2015年12月底宣告成功。美國的科學(xué)團隊提取了地幔中不同深度的元素，并對其含量進行對比，最后發(fā)現(xiàn)：氙-129和氙-130的同位素比例在地幔某個深度突然顯示出不符合預(yù)期的變化。

對于同一個天體，其內(nèi)部同位素的比值隨深度的變化關(guān)系一定是有規(guī)律可循的。氙的同位素比值在地幔中某個深度突然變得反常，說明地球很可能不是一個完整的個體。也就是說，在地球的地幔深處隱藏著一顆比地球更古老的“地球”。

地球與太陽和太陽系的其他天體相比，在元素豐度和同位素比值方面均存在差異。這些差異是由早期地球的巖石隔離形成的，還是由于原行星盤（年輕恒星外圍繞的濃密氣體，被認為可發(fā)展成行星系統(tǒng)）的異質(zhì)性造成的，一直是糾纏于行星形成與當(dāng)前地球結(jié)構(gòu)的一個基本問題。

本次的研究將有助于回答地球起源與進化的基本問題。這種1-3km的下地幔地形起伏與我們在地球上和其他行星上觀察到的地表地形非常類似，結(jié)合之前發(fā)現(xiàn)的下地幔的化學(xué)組成與上地幔的截然不同，以及某些區(qū)域上下地幔的混合程度的巨大差異（被解釋為上下地幔部分阻塞或不完全環(huán)流），我們有理由推測：下地幔似乎隱藏著早期地球形成的歷史遺跡。

或許地球一直在向我們訴說著關(guān)于它的前世今生，只是我們?nèi)祟愡€無法破解到它告訴我們的信息，就如同此次的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)一樣。相信隨著科技手段的不斷完善，人類一定能揭開更多關(guān)于地球的秘密。

作者 | 丁寶明 中國地質(zhì)大學(xué)博士