1909年10月8日，克罗地亚库帕河谷发生了一场大地震。借助这次地震，当时克罗地亚地震局的负责人安德里亚·莫霍洛维奇（Andrija Mohorovičić）得到了一个深入研究地震波传播规律的机会。莫霍洛维奇使用了来自多个地震站点的数据，这些站点会测量地震产生的纵波和横波到达自己所在点位的时间。在分析数据时，莫霍洛维奇发现了一些异常现象：一些距离震中更远的地震台，反而更早记录到了地震波的到达。为了解释这一现象，莫霍洛维奇提出了一个大胆的假设：在地球的浅表部分存在一个显著的速度界面，地震波穿过这一界面时，传播速度会突然增大。因此，对于更近的地震台，地震波只在浅层的地速区域穿行，而对于更远处的地震台，地震波可以穿过这一界面，以更高的速度在地球更深处传播，就像是中途驶上了高速公路。图片来源：Brews ohare/wikipedia随后的大量研究证实了莫霍洛维奇的假设，事实上，他计算出的这处界面正是地壳与地幔的分界面，为了纪念他的贡献，这也被命名为莫霍面。就像莫霍洛维奇一样，如今大量地球物理学家依然在借助地震波，了解地球内部的构造。地球内部的能量释放就会产生地震波。就像所有波一样，地震波在地球内部传播时，会因为介质的密度而改变速度和路径。地震台可以记录下不同种类的波抵达的时间，根据这些记录，地球物理学家就能反推出这些波走过的路径，从而了解地球内部发生了什么。然而，在最近一项发表于《科学报告》（Scientific Reports）的研究中，地震波却带来了更多的问题：科学家利用地震波在地幔深处发现了许多以前从未见过的斑块。
奇怪的区域
当两个板块的边界处相遇，一个板块向下插入另一块板块之下，这就是“板块俯冲”过程。在地幔中，这些俯冲下来的大洋板块往往表现为较冷、较高密度的区域。地震波穿过它们时，往往传播得更快，因此这里也被称为正波速异常区。过去的研究认为，地幔中的正波速异常主要来自俯冲板块。然而在这项新研究中，研究者在下地幔发现了大量前所未见的正波速异常区域。在这些区域中，最密集的一处是位于西太平洋下方，距地表900~1200千米深处的一处大型异常。但问题在于，这里远离板块边界，在地质历史上，也没有发生过板块俯冲的证据。换句话说，这里不应该有俯冲板块进入地幔中。图片来源：Sebastian Noe / ETH Zurich类似的异常也出现在大西洋和印度洋下方。研究团队尝试统计了在下地幔中检测到的正波速异常，与过去2亿年间俯冲带的位置，他们发现两者之间并没有明显的相关性。事实上，研究者依然无法确定他们发现的这些异常区域到底是什么。
无法解释
之所以能够发现这些异常结构，是因为科学家团队使用了一种高精度的新方法。传统的地震波成像主要依赖于地震波的走时，也就是波从震源到达接收器的时间。然而这种方法只能利用有限的相位，而且对震源和接收器的分布非常敏感。这就导致在某些区域的成像分辨率很低，难以揭示地幔深处的细节。为了克服传统方法的局限性，地球物理学家开发了一种精度更高的技术——全波形反演（Full-Waveform Inversion, FWI）。与传统方法不同，全波形反演利用了地震波的完整波形信息。这使得这种模型的计算量非常大，研究者为此使用了瑞士国家超级计算中心的Piz Daint超级计算机，终于看到了更高分辨率、更全面的地幔结构。这就像是一位医生，几十年来一直在用超声波检查血液循环，并且每一次都能准确找到他想找的动脉位置，瑞士苏黎世联邦理工大学教授、这项研究的作者之一安德烈亚斯·菲希特纳 (Andreas Fichtner) 这样解释他们的发现，“突然，你给了他一个更好的检查工具，他突然在大腿上看到了一条不该出现在那里的动脉——这正是我们对这个新发现的感受。”到目前为止，研究者只能尝试推测这些异常区域的可能成因。但他们首先怀疑的，就是这些区域很可能并不是，或者并不全是俯冲板块。一种可能性是，这些区域来自更古老的、富硅的地幔成分，这些成分自40多亿年前地幔形成以来就一直存在，并且“幸存”到了今天。另一种可能是岩石圈的底部破裂分层，并沉入地幔，构成了这些异常区域。也有一种可能是这些区域的确与其他地区的俯冲作用有关，例如其中一些富含硅的岩石可能会在俯冲过程中形成一些富集区域，随着地幔对流像大理石蛋糕一样，在地幔中留下纹路。然而，这些只是可能的理论。目前，这些区域的身份仍然是一个重大谜团。https://watchers.news/epicenter/hidden-mantle-anomalies-detected-using-full-waveform-inversion/本文来自微信公众号“环球科学”。如需转载，请在“环球科学”后台回复“转载”，还可通过公众号菜单、发送邮件到[email protected]与我们取得联系。相关内容禁止用于营销宣传。
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