在2月15日《科學》雜誌發表的一篇論文中，由中國科學家吳文波、倪四道和美國科學家歐文等共同組成的研究團隊稱，在地下約660千米的下地幔頂部的小尺度範圍內存在大約1-3千米的地形起伏。

此前科學家已在更大尺度揭示地殼與地幔、上地幔與下地幔邊界的地形。這些大規模地形的高度與地球表面的地形起伏高度相當。但是在小尺度範圍內對上下地幔邊界地形起伏的研究一直是一個挑戰。

本次該研究團隊通過分析玻利維亞1994年發生的8.2級地震數據，首次提供了上下地幔邊界在千米尺度的地形證據。該地形與地球和其他行星表面的地形非常類似。

圖注：“高精度”地球邊界地形圖：左邊爲喜馬拉雅山和馬裏亞納海溝；右邊是本次的最新研究成果（1-3km尺度地形起伏）

這個發現不僅支持了此前科學家提出的上地幔和下地幔之間部分阻塞或不完全環流的概念，同時也表明下地幔部分可能含有早期地球的歷史遺蹟。

地球的結構就像一個雞蛋

在先前研究中，科學家藉助地震波在地球內部不同部位的傳播特點，將地球內部構造從內到外劃分爲地核、地幔和地殼。其中，地殼和地幔以莫霍洛維奇不連續面（簡稱莫霍面）爲界，地幔和地核以古登堡不連續面（簡稱古登堡面）爲界。前者由前南斯拉夫學者莫霍洛維奇首次發現，深度在大陸之下平均約33千米；後者由美國科學家古登堡首先發現，位於地下2885千米的深處。

圖注：地球內部結構圖：地殼和地幔以莫霍面爲界，地幔和地核以古登堡面爲界；地殼厚度之於地球，就像蛋殼之於雞蛋。（圖片來自網絡）

藉助地震波研究，科學家們又將地幔分爲上地幔和下地幔。目前人類所認識的地幔是什麼樣子呢？科學家們給出了地幔的物質構成及其隨深度的變化情況：

上地幔是一種堅硬的岩石，主要由橄欖石和輝石混合物組成。隨着往下深度的增加，地球內部的溫度和壓力隨之增大，其礦物性質也隨之發生變化。

從深度400千米開始，橄欖石結構變化使得地幔的剛度和密度增加，導致地震波在該深度發生反射。在同樣的深度，輝石逐漸轉變爲石榴石。該區域標誌着進入地幔過渡帶。

在660千米時，石榴石和橄欖石逐漸轉化爲硅鈣石、氧化鎂和鈣鈦礦。這一區域被看作是上地幔到下地幔的正式過渡（上下地幔分界）。

下地幔則由80%以上的高粘度硅鈣石、17%的氧化鎂-氧化鐵及少量的鈣鈦礦的組成。

地核則按照固液態被分爲外地核和內地核。外地核爲液態，內地核爲固態，均由高溫、高壓的鐵鎳等金屬物質組成。

地幔中礦物相從上地幔到下地幔的劇烈變化，導致了地震波在其間傳播的波速和密度的變化。結合大量地震數據，科學家們認爲，上地幔和下地幔之間邊界的深度約660千米。這也是該研究團隊選擇地下660千米進行研究的原因。

意外結果來自25年前的地震數據

地震是人們談之色變的名詞，但其所產生的地震波卻被稱爲能照地球的“X光”。地震波是從震源向四處傳播的彈性波，按傳播方式分爲縱波（P波）、橫波（S波）（縱波和橫波均屬體波）和麪波（L波）三種類型。地震發生時我們看到的山崩地裂，房屋建築倒塌的場景，實際上是由不同類型的地震波“分工協作”完成的。

縱波是推進波，在地下傳播速度最快，最先到達震中，它能夠使地面發生上下振動，破壞性較弱。橫波是剪切波，在地下的傳播速度稍慢於縱波，第二個到達震中，它使地面發生前後、左右抖動，破壞性較強。面波是由縱波與橫波在地表相遇後激發產生的混合波，其波長大、振幅強，只沿地球表面傳播，是造成建築物強烈破壞的主要因素。

科學家正是巧妙的利用了不同類型地震波在地下的傳播特點，發現了地球的圈層結構。

圖注：不同類型地震波在地下傳播的特點，圖中可見橫波無法在外核中傳播（速度爲0），科學家們正是據此推測外核爲液態。（圖片來自網絡）

像我們平常所見的水波、聲波、光波一樣，地震波也可以在不同介質的界面上發生反射、折射和散射。水波遇到堤壩時會返回，地震波在遇到邊界面（例如地球表面）時也會發生反射。此次科學發現也正是應用了地震波的這種反射特性。

當發生里氏5.0級以上的地震時，震源處會向地球釋放大量的地震能量，這些能量以體波的形式向四處傳播。強烈地震（~7.0級）的P波可以經過地核到達地球的另一邊，經過地面反射之後返回。這些信號會被位於全球不同位置的2500多個地震監測站接收，其中，震中距（地面觀測點和震源位置對地心的張角）在0°~40°範圍內的監測數據最清晰和精確。

在本次研究中，研究人員綜合2003年發生在南美洲瑪麗亞機場的里氏7.0級地震，以及2008年發生在鄂霍次克海里氏7.3級地震數據，發現地震波在被地球另一側的地面反射之前，會先經過另一次反射。通過對比兩次反射信號返回的時間差，確定該反射面正是地下660km處的上-下地幔分界面。

圖注：地震波在到達地球的另一面之前，提前被660km處的上-下地幔分界面散射。紅星表示震源，藍三角表示接收器。

基於此，該研究團隊進一步選取了1994年發生在玻利維亞的里氏8.2級地震數據進行分析。研究人員精選了位於玻利維亞和祕魯之間震中距在2°~10°範圍內的共16個地震監測站的數據，嘗試從中獲取上下地幔分界面的“精細”地形。

圖注：同一個震源發出的地震波，一部分被上下地幔分界（660）反射，一部分被地球表面（surface）反射；被地幔分界面反射的會先返回。如果地震波被反射的分界面是光滑的，所有反射能量（反射信號）將同時到達接收器，在數據上表現爲一個單一的能量峯值。如果表面粗糙有起伏，能量將被分散從而表現出不穩定。

在排除了同一監測時段內餘震對地震數據的影響後，該團隊最終發現，在上下地幔的分界面上（亦稱“下地幔頂部”）存在1~3千米尺度的地形起伏。

探索地球的內部

此前已有報道稱，科學家們進行了一項名爲“國際海洋鑽探”的計劃，在海洋的地殼較薄處打穿地殼，進入地幔。該項目於2015年12月底宣告成功。美國的科學團隊提取了地幔中不同深度的元素，並對其含量進行對比，最後發現：氙-129和氙-130的同位素比例在地幔某個深度突然顯示出不符合預期的變化。

對於同一個天體，其內部同位素的比值隨深度的變化關係一定是有規律可循的。氙的同位素比值在地幔中某個深度突然變得反常，說明地球很可能不是一個完整的個體。也就是說，在地球的地幔深處隱藏着一顆比地球更古老的“地球”。

地球與太陽和太陽系的其他天體相比，在元素丰度和同位素比值方面均存在差異。這些差異是由早期地球的岩石隔離形成的，還是由於原行星盤（年輕恆星外圍繞的濃密氣體，被認爲可發展成行星系統）的異質性造成的，一直是糾纏於行星形成與當前地球結構的一個基本問題。

本次的研究將有助於回答地球起源與進化的基本問題。這種1-3km的下地幔地形起伏與我們在地球上和其他行星上觀察到的地表地形非常類似，結合之前發現的下地幔的化學組成與上地幔的截然不同，以及某些區域上下地幔的混合程度的巨大差異（被解釋爲上下地幔部分阻塞或不完全環流），我們有理由推測：下地幔似乎隱藏着早期地球形成的歷史遺蹟。

或許地球一直在向我們訴說着關於它的前世今生，只是我們人類還無法破解到它告訴我們的信息，就如同此次的科學研究發現一樣。相信隨着科技手段的不斷完善，人類一定能揭開更多關於地球的祕密。

作者 | 丁寶明 中國地質大學博士

審稿 | 張蕾 中科院地球物理研究所博士

編輯 | 高佩雯

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