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地球深处:比珠峰还要高的山峰 还有奇怪的地幔团块

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1996年,卡尔·萨根(Carl Sagan)在接受最后一次采访时说:“我们生活在围绕着一颗单调恒星旋转的一堆岩石和金属块上。”

这是对地球的一种粗糙的描述,但长期以来,许多科学家都赞同这种说法,因为我们没有办法直接探索我们星球的内部;人类有史以来钻得最深的洞是俄罗斯北极地区的科拉深孔(Kola Deep hole),但其深度也只占了地面到地心的0.2%。所以,即使是最好的科学地图,看起来也不比你中学地理课本上的那幅漫画好看多少(展示了地壳,地幔和地核的图)。

但这种情况正在改变。加州大学伯克利分校的Barbara Romanowicz等研究人员正在使用地震波来扫描我们星球的内部,就像医生使用超声波探视病人一样。但他们所看到的不是一个平淡无奇的矿石块,而是许多复杂的细节,一个丰富而充满活力的内部景观。

地幔看起来像洋葱一样分层,并且主要的分层转变发生在250英里和410英里以下。在410英里的深度,研究人员最近发现了一个巨大的内部山脉,其山峰可能比珠穆朗玛峰还要高。Romanowicz说:“最近,我们在大约1000公里(600英里)深的地方发现了另一个变化。

这些岩层被上升的热岩柱撕裂,而在这些热岩柱之下有两个奇怪的小块,大小和澳大利亚差不多,位于地核的顶端,一个在非洲下面,另一个在太平洋下面。

Romanowicz说:“我们越发明白,这和标准的卡通漫画根本不一样。对地球动力学家来说,这是一场彻底的革命。”

被这些斑点搞糊涂了

这些地幔小团因其对地表生命的影响而具有特殊的意义。牛津大学的地震学家Maria Tsekhmistrenko最近的工作证实了这些团块是热地幔柱的一个来源,而这些柱状物在地表出现时可以引发毁灭性的超级火山爆发。

她研究发现非洲地幔团和留尼旺地幔柱(目前在留尼旺岛,马达加斯加东部)与6700万年前的一波火山爆发有详细的联系,那次爆发发生在今天的印度,并且与小行星撞击地球的影响一起杀死了恐龙。

其他的地幔柱导致了巨大的火山爆发,造就了冰岛,并继续推动着黄石公园下面轰隆隆的地质活动。Tsekhmistrenko 说:“在过去几亿年间,这些事件、气候变化和物种大灭绝之间存在着高度的相关性。”

然而,地幔团的性质一直是个谜,这主要是因为Tsekhmistrenko 和她的同事们研究的地震波只能间接地揭示我们星球的内部结构。波运动的快慢取决于它们所经过的物质的温度和组成,然后,测量地表运动的仪器再对这些波进行探测并分析,以解释这些波所经过的结构。

不幸的是,这种方法很难地将温暖、致密的物质与较冷、较轻的物质区分开来,这给解释留下了很大的错误空间。

剑桥大学地球物理学家Sanne Cottaar绘制了大量的地幔团地图,她认为这些地幔团是在地球历史早期沉入地幔底部的高密度岩石。“它们位于较热的地核之上,因此随着时间的推移会变热,而高温会降低它们的密度,”她在一封电子邮件中说。

这些地幔团就像锅盖一样——最后炉子里的热量把锅里的东西烧开并溢出来,这有时甚至会造成灾难性的后果。

生活在一个洋葱星球上

这个结论与Romanowicz提出地球内部是一系列重叠的洋葱状层的观点相一致。科学家们过去常常把地幔想象成一个单一的东西,在来自地核热量的影响下缓慢地搅动,他们的结论认为,地球由一个完整的上下循环拉扯着地壳,移动着大陆,重塑着海洋。

Romanowicz说:“学界里有越来越多的人认识到事情并没有那么简单。相反,洋葱的每一层似乎都有自己的历史和演变。410英里深度地幔的转变与地幔岩石结构的突变有关。在Romanowicz研究的600英里深度区域,上升的地幔柱似乎存在弯曲和偏转,就好像它们撞上了一堵墙:“这个还有待研究。”

地幔下的岩层也显示出了惊人的复杂性。外核是一种熔化的铁合金,它就像海水一样可以容易流动。Cottaar说:“它的循环速度与海洋相似,而且非常动荡。”

这种湍流是至关重要的,因为它会产生包裹着行星的磁场,保护地球免受太阳风暴和宇宙辐射的伤害,但有点烦人的是它可能会导致磁场突然“打嗝”,甚至完全倒转。

地球的中心是内核,一个760英里宽的铁球。地震研究表明,它由铁晶体组成,这些铁晶体比太阳表面还要热,但在巨大的压力下还保持着固态。它是地球内部最年轻的主要结构,在不到10亿年前才开始从核心的液体部分中冷却出来。而更奇怪的是,内核的自转速度比地球的其他部分略快。

Romanowicz说:“关于地核的结构我们还有很多很多问题。

回到地球的起源

研究的最终目标是将地球上所有的洋葱层与我们星球的形成方式联系起来,而这反过来又将有助于解释地球是怎样变成今天这样这么适宜人类居住的环境。加州理工学院(California Institute of Technology)的行星科学家戴维·J·史蒂文森(David J. Stevenson)将这个故事追溯到45亿年前,当时地球受到一个火星大小的行星撞击。

那次撞击激起的碎片被认为是月球的成因,但这次撞击也重塑了我们的星球。

“这次巨大的撞击可能融化或者搅动了地球深处的一部分,最终由此引起了地核液体与地核固体、核心物质与地幔物质的分离,为我们现在所看到的这种状态打下了基础。岩心、地幔团块和地幔层状构造都可能起源于那个早期状态。”

Romanowicz希望通过建立太平洋阵列来探索更多的地球内部历史,太平洋阵列是一个基于海洋的运动探测器网络,这个阵列将为科学家们研究地震波如何通过地球内部提供一种新的观察方式。她说:“我们中的一些科学家已经对此研究了30年了,我们需要用它来照亮下地幔。”

对于Stevenson来说,他终极的梦想是像儒勒·凡尔纳那样向下探索。有一段时间,他甚至提出了建造一个可以一直到达地核的探测器的想法。他说:“这是一个半开玩笑的想法,但如果能有东西对地幔进行适当的取样那肯定很好。你不去一个地方,你当然不会知道那里是怎么样,我很同意这个观点,不过这个‘你’当然是个机器人了。”

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