地球深部物質(zhì)為何不均一？ 我學(xué)者破解成因

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科技日?qǐng)?bào)訊 （記者吳長(zhǎng)鋒）記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校地球和空間科學(xué)學(xué)院吳忠慶教授課題組與同行合作，發(fā)現(xiàn)俯沖洋殼是地球深部物質(zhì)不均一性的重要來源。該研究成果日前在線發(fā)表于國(guó)際綜合期刊《自然·通訊》上。

地球的物質(zhì)組成對(duì)理解地球起源、演化與動(dòng)力學(xué)過程至關(guān)重要。地球內(nèi)部圈層可大致分為地殼、上地幔、下地幔和地核。下地幔是地球內(nèi)部最重要的圈層之一，深度范圍約為660—2900公里，是地球演化的壓艙石。雖然很難獲得來自下地幔的樣品，但是地震波具有穿透整個(gè)地球的能力，從而提供了地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)的關(guān)鍵手段。近年來，隨著地震波觀測(cè)、分析與模擬技術(shù)的發(fā)展，地震學(xué)者發(fā)現(xiàn)在下地幔存在許多尺度不一的異常體，這些異常體的成因?qū)斫獾厍騼?nèi)部結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成起著關(guān)鍵的作用，對(duì)制約地球起源和動(dòng)力學(xué)演化亦很重要，是地球科學(xué)研究的熱點(diǎn)與前沿問題。

地球具有一個(gè)非常獨(dú)特的特點(diǎn)——板塊運(yùn)動(dòng)和俯沖。板塊可以俯沖至地球深部甚至核幔邊界，從而在下地幔形成化學(xué)物質(zhì)不均一性。俯沖洋殼是俯沖大洋巖石圈最上面一層的硅酸鹽物質(zhì)，相比于正常地幔，其更富含二氧化硅，很可能是下地幔不均一性的主要來源。目前，關(guān)于下地幔的異常主要由地震波速表征，因此，開展俯沖洋殼在下地幔溫度和壓強(qiáng)條件下的波速特征研究具有關(guān)鍵意義。

然而，通過高壓實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)量礦物在下地幔溫壓條件下的波速十分困難，因此數(shù)據(jù)十分有限。經(jīng)過數(shù)年的研究積累，該課題組確定了俯沖洋殼在下地幔溫壓條件的波速和密度特征。研究結(jié)果表明，洋殼的波速隨深度變化而變化，洋殼表現(xiàn)為低波速；在更深處，洋殼則表現(xiàn)為高波速。這意味著俯沖洋殼在下地幔并非簡(jiǎn)單地表現(xiàn)為高速或者低速，而是取決于深度。俯沖洋殼可以很好地解釋下地幔下部的高速異常體和在整個(gè)下地幔發(fā)現(xiàn)的散射體。