隐藏在地球内部的两个“超级大陆”可能比之前认为的要古老得多

新西兰

从太空看地球。这是南极洲的景色。还可以看到月亮。从太空俯瞰南极洲的地球景观。 图片来源：法新社/科学图片库
像我们大多数人一样，地球表面之下也发生着许多事情 - 即使在曾经看似最不起眼的地层之下也是如此。

地幔是地球薄地壳与熔融地核之间的区域，长 2900 公里，大部分都是固体岩石，质地如浓稠的焦糖，科学家长期以来假设它是均匀混合的。但人们发现地幔中存在大量未混合区域，就像饼干中的巧克力块一样，新发现才刚刚开始揭示它们的秘密。

神秘的地幔块中有两个巨大的“超大陆”，它们被埋在地壳下数千公里处，周围是古代板块的残骸。一个超大陆位于非洲之下，另一个位于太平洋深处。研究人员最近使用一种新方法分析地震数据，发现了这些巨大岛屿地区以前未知的细节，揭示了它们可能是地球地幔的锚点，而且它们的历史可能比以前想象的要古老得多。

这一发现进一步表明，岩石地幔并不像人们曾经认为的那样受到地球内部搅动的强烈影响。科学家于1 月 22 日在《自然》杂志上发表文章称，隐藏的结构或未混合物质的口袋（如这些超大陆）可能会以尚待理解的方式影响地幔活动，包括板块运动。

亚利桑那州立大学地球与空间探索学院博士生克莱尔·理查森 (Claire Richardson) 表示：“这些发现将有助于更好地理解地幔对流和板块构造，从而理解我们在地表经历的地震和火山活动等现象。”但她没有参与这项新研究。

理查森在一封电子邮件中告诉 CNN：“在极端温度和压力下，解决距我们脚下约 3000 公里的岩石的物理、热和化学特性至少是一个具有挑战性的问题。”“悬而未决的问题比比皆是，每一项新研究都让我们更接近了解那里到底发生了什么。”

海浪揭示的线索
大约 50 年前，研究人员首次发现了地下​​超大陆，当时它们出现在地震数据中，这些地震数据由强度足以在整个地球上产生回响的地震产生。当地震波遇到地幔中的异常结构时，波速的变化为地震学家提供了有关地球深层内部的线索。

几十年来，地震数据显示这些超大陆约占地幔-地核边界的 20%。每个埋藏的岛屿覆盖数十万英里，在一些地方，它们高达近 600 英里（965 公里）。然而，人们对它们的成分、沉没时间以及它们在地幔流（即对流）中可能发挥的作用知之甚少，新研究的主要作者、荷兰乌得勒支大学地质学和地震学研究员D. Sujania Talavera-Soza 说。

塔拉韦拉-索扎说：“它们的起源以及它们是否是长寿命结构存在广泛争议。”

上行地球地图显示了两个埋藏超大陆（也称为大型低剪切速度区或 LLSVP）的位置，以及它们如何影响地震波的速度和衰减或阻尼。下行显示了地球横截面视图中的相同 LLSVP。 照片：乌得勒支大学
早期研究主要关注地震波的速度，结果表明地震波到达超大陆后速度减慢了约 2%。地震波的减慢使得地质学家将这些区域命名为大型低剪切速度区，简称 LLSVP。

塔拉韦拉-索扎表示，地震波的速度损失表明这些地幔区比周围的岩石更热。但目前尚不清楚 LLSVP 在结构上是否与附近地区不同。乌得勒支大学地球深层结构与成分教授、这项研究的共同作者阿尔文·德乌斯博士说，科学家们还不确定这些超大陆是否积极参与对流，或者它们是否是“一种密集的堆积物，只是静静地矗立在那里”。

“没有这方面的信息，”德斯说。“我们只知道地震波的速度减慢了。”

在这项新研究中，作者们采用了一种不同的方法来研究 LLSVP，看看他们能否找出有关这些区域的组成和活动的细节。他们观察了地震信号在穿过地幔时的衰减或强度，以了解地震振动损失了多少能量。

德乌斯说，在音乐中，衰减相当于抑制音调，从而降低音量。研究波的衰减以及波速的变化可以提供以前未曾见过的有关 LLSVP 构成的线索。塔拉韦拉-索扎补充说，最好的数据是 7.8 级或更高级别的地震产生的波。

众所周知，波速和能量损失受矿物颗粒大小和温度的影响，因此作者使用了一种将地震学和矿物物理学联系起来的物理模型。当波遇到由较小颗粒组成的材料时，波会受到更大的衰减；如果许多颗粒挤在一起，颗粒之间的边界就会更多，从而削弱波的能量。

比“石板墓地”更古老
其他研究显示，超大陆在深层地幔中也有同伴。Deuss 表示，它们周围是沉没的构造板块的“板片墓地”。它们比 LLSVP 温度更低，因此地震波穿过它们的速度更快。

然而，新模型显示，虽然地震波到达 LLSVP 时速度会下降，但波的能量损失并不大。相比之下，LLSVP 周围较冷的墓地中能量衰减明显。

研究人员认为，这些差异归结于结构的相对年龄。数百万年来，随着岩石物质穿过上地幔和下地幔之间的边界，矿物晶体被压缩并重新形成更小的颗粒，然后随着时间的推移重新生长。因此，较年轻的区域有较小的晶体，它们从地震波中吸收更多的能量，因此一个区域的衰减量可以暗示它的年龄。

塔拉韦拉-索扎说：“LLSVP 显示出的阻尼很小，这意味着它们必须由比周围大得多的颗粒组成。”根据这项研究，较大的矿物颗粒表明超大陆比周围的构造墓地要古老得多，因为它们的颗粒必须有更长的时间来生长。更大的构造块也会使超大陆更加坚硬，使它们与地幔对流或该层中由于热传递而产生的物质运动隔离开来。

塔拉韦拉-索扎说：“我们的研究表明，LLSVP 是长期存在的地貌，至少有 5 亿年历史，甚至可能更久远。这意味着它们充当了地核-地幔边界底部的锚点，并经受住了地幔对流，这意味着地幔混合不充分。”

此次发现是继最近另一项有关更多“沉没世界”的发现之后的，这些发现与混合地幔的概念相矛盾。构造墓地中埋藏的板块往往与地球的俯冲带对齐堆积——俯冲带是两个板块的边缘相接的区域，其中一个板块滑入另一个板块之下。但今年早些时候，2 另一组科学家在远离这些边界的地方发现了沉没的构造板块，这些地方位于大陆内部和海洋之下，此前从未发现过沉没的板块。

这项研究的主要作者、瑞士苏黎世联邦理工学院地质研究所研究员托马斯·斯考滕 (Thomas Schouten) 在一份声明中表示：“显然，地球地幔中的此类区域比以前认为的要广泛得多。”

博士候选人理查森说，新研究中的模型——整个地幔的第一个 3D 衰减模型——将帮助地震学家更好地了解地球表面数千公里以下的情况。

她说：“它绘制了地球上削弱地震能量的区域，最终影响了许多地震学家用来了解地球内部其他物理和化学特性的测量方法。”

德斯表示，这一发现可能会改变研究人员对板块构造的理解，以及板块运动如何受到地核附近这些古老固定锚点的影响。她补充说，对超大陆的进一步分析还可以揭示它们是否是与地球本身一样古老的地球化学元素的来源，而这些元素在某些类型的火山熔岩中可以找到。

“这些 LLSVP 已经存在很长时间了——如果它们已经存在了 10 亿年，那么它们可能也已经存在了 40 亿年。它们很可能就是这些化学原始元素所在的隐藏储层。我们现在无法证明这一点，但地球化学家可以对此进行调查，”Deuss 说。

“通过这项研究，我认为将会有大量额外的研究可以解答许多多年来困扰科学家的悬而未决的问题。”