25年前的一次特大地震,揭示了地球深处的空间与时间

作者: 二宗主

来源: 原理

发布日期: 2019-02-16

1994年的一次特大地震揭示了地球深处的空间与时间,科学家通过地震波发现了地下660公里处的山脉和其他地形,这一发现对于理解地球的形成和运行机制具有重要意义。

地球的结构通常被我们分为三层——地壳、地幔、地核;有时,地核又会被细分为内核与外核。这种划分并没有什么错,但却会将科学家已在地球内部确认的其他几层遗漏在外,例如在占地球体积84%的地幔内部还有着所谓的过渡带……研究发现,位于410公里以下的过渡层顶部总体上是平滑的,但位于660公里以下的过渡层底部的某些地方却比地球表面粗糙得多,有着比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更加陡峭的地形。

1994年6月9日,玻利维亚发生了一次特大的地震,这是自有记录以来的排名第二大的深源地震——里氏震级高达8.2级。如此巨大的地震所带来了的灾难往往是毁灭性的,或许稍微值得安慰一点的是,这样的地震并不经常发生。但是,地震能留下一些让科学家感兴趣的信息。地震能产生地球上最强大的波——地震波,研究人员可以利用这些地震波对地球的内部进行观测。

若要对地球的更深处进行观测,他们需要那些能让整个地球都为之震动的最强地震波。

在最近的《科学》期刊上,刊登了一项由地球科学家吴文波、倪四道和Jessica Iring共同发表的新研究,他们运用1994年的玻利维亚大地震和一些其他大地震所产生的散射波数据,发现了处于地底660公里以下的过渡层底部的山脉和其他地形!这个过渡层将上地幔和下地幔分隔了开来。目前,研究人员还没有给这个过渡层一个正式的名称,只是简单地称之为“660公里边界”。

研究中所涉及的技术强烈依赖于波的一个基本特性,那就波的弯折与反弹的能力。就像光波能从镜面反弹回来(反射),在通过棱镜时发生弯折(折射)一样,地震波在均质岩石中会笔直穿行,然后当遇到任何边界或粗糙的地方时会发生反射或折射。新论文的第一作者是吴文波博士,他说:“散射波携带着有关表面粗糙度的信息。在这项研究中,我们正是研究了在地球内部传播的散射地震波,来确定地球660公里边界处的粗糙度。”

这是一项非常了不起的发现。要知道,仅通过穿过整个地球再返射回的地震波,就能在地下660公里深的边界上发现1~3公里的高度变化是非常不容易的。他们的发现表明,随着地震仪器变得越来越成熟复杂,科学家将有机会利用地震散射波,去探索那些更小尺度的起伏,从而揭示出更多与地球层有关的新特征。

在660公里边界上存在粗糙度一事,对于理解地球如何形成以及如何持续运行有着重要的意义。这个过渡层将地幔分为上下两个部分。多年以来,这一过渡层的重要性一直是地球科学家争论的话题。尤其是当他们在研究热量在地幔的传播时——到底是炽热的岩石从地核-地幔边界(大约在地下2890公里)被一路转移到地幔顶部,还是热量的转换会在这个过渡层里中断。

此外,从理论上说,研究人员在660公里边界发现的大、中、小的不同尺度的粗糙度,可以是由热异常或化学异质性所引起的。但是吴博士认为,热量在地幔内部的这种传输方式,能使得任何小规模的热异常都在几百万年内被消除干净。照这样来看,只有化学差异可以用来解释研究中发现的小尺度的粗糙度。

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