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TUhjnbcbe - 2024/2/20 14:13:00

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。

我们人类虽然号称是地球的主人,但实际上我们的实力并不是想象中的那么强,我们在地球上所钻的孔,最深的也仅有12公里多一点,与地球高达公里的半径相比,这样的深度实在是不值一提。那么既然人类没办法在地球上钻一个很深的孔,科学家又是用什么方法探索地球深处呢?

答案就是利用地震波,简单地说就是先观测地震波在地球深处的传播过程,然后再对收集到的重要数据(如传播时间、传播途径等)进行分析,就可以推测出在地球深处的物质到底是什么。

早在年,地球物理学家安德烈.莫霍洛维奇就根据29个地震台的地震波数据发现了地壳与地幔之间的分界面(莫霍面),在后来的30多年的时间里,科学家们又利用同样的方法建立了我们现有的地球结构模型,即地球是由地壳、地幔和地核组成,而地核又分为固态的内核和液态的外核。

但人类并不会满足于这样的成果,事实上,科学家们对地球深处的研究就从未停止过,人们还发展出了一项酷炫的技术——地震层析成像技术,简单地讲就是,该技术可以利用地震产生的地震波对地球的内部结构进行直接成像。

在过去的日子里,随着该项技术的日益成熟,人们得到了越来越清晰的地球内部结构图像,也发现了地球深处的很多秘密,而这其中有一个发现非常引人注目,那就是地球深处“潜伏”着两个巨大的结构物,并且直到现在科学家也不清楚到底是什么。

(利用地震层析成像技术绘制的3D示意图)

在年代,研究人员就注意到,当地震剪切波(又称横波)在地幔和地核之间的边界(CMB)上方的两片较大的区域传播时,其传播速度明显低于平均速度,于是将其称为“大低剪切速度区”(Largelow-shear-velocityprovinces,简称LLSVP),并据此初步推测出地球深处“潜伏”着两个巨大的结构物。

在接下来的时间里,不断进步的地震层析成像技术确认了这两个巨大的结构物的存在,相关数据表明,它们都在地球赤道的附近,分别位于太平洋和非洲的下方,其最厚的区域可达到公里,总体积高达14.2万亿立方米。

(注:图源Nature,图中数字的单位为公里,红色和白色箭头表示地幔的对流情况,标注为“PacificLLSVP”和“AfricanLLSVP”的区域就是这两个结构物)

看到这里可能有人要说了,地球深处都是挤压在一起的岩石物质,科学家凭什么就可以说这两个“大低剪切速度区”就是单独的结构物呢?

其实这并不是拍拍脑袋就随便作出的结论,首先就是地震层析成像技术显示的图像表明,这两个“大低剪切速度区”的边界是尖锐的,其次是科学家根据地球上层的火成岩沉积情况分析出,这两个“大低剪切速度区”至少已经稳定存在了2.5亿年之久。

(注:火成岩即地球内部涌出的岩浆冷却后形成的岩石,而利用地震层析成像技术绘制的图像显示,这两个巨大的结构物与一些火山是连接起来的,因此地表上的不少火山活动都与它们相关)

要知道在地球深处的高温高压下,即使是固态的物质也可以发生流动(这也是地幔对流的原因),而在这种情况下,这两个“大低剪切速度区”与地球深处其他物质居然会出现尖锐的分界面,就足以说明它们与地球深处的普通物质在成分上存在着明显差异,而且其物质密度也必须比周围的物质更加大,否则的话,这两个“大低剪切速度区”就不可能长时间地存在,因为它们会在周围物质的挤压下迅速与之融为一体,根本不可能稳定存在2.5亿年。

另外要说的是,在发生了较大规模的地震、火山爆发等事件之后,整个地球都会发生微弱的震动,这被称为地球的自由振荡,科学家通过精密的仪器(如应变地震仪、重力仪等)就可以将其记录下来。

由于地球的自由振荡对物质的密度非常敏感,因此它可以用来判定地球深处物质密度的相对大小,事实上,科学家在作出上述结论的时候,过去记录下来地球自由振荡的观测数据也是他们重要的依据。

因此可以说,科学家已经确定了地球深处“潜伏”着两个巨大的结构物,并且也知道了它们存在的时间以及大小,但遗憾的是,由于科技水平的限制,现在的我们根本就不可能深入到地下去一探究竟,因此直到现在科学家也不清楚它们到底是什么,只能提出一些假设。

例如“热化学假说”认为它们是地球“与生俱来”的独特结构物,“浮力数假说”认为它们其实就是两团非常高温的岩石物质,然而这些假设都有一定程度的局限,不能够完美地解释为什么它们能够长期稳定地存在。

但我们也不必为此担心什么,因为这两个“潜伏”在地球深处的巨大结构物都已经安静地存在了至少2.5亿年,在未来想必一定也会继续安静地存在。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家

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