地球深部物質(zhì)為何不均一？ 我學(xué)者破解成因

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科技日報訊 （記者吳長鋒）記者從中國科學(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)表于國際綜合期刊《自然·通訊》上。

地球的物質(zhì)組成對理解地球起源、演化與動力學(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地球的能力，從而提供了地球深內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測的關(guān)鍵手段。近年來，隨著地震波觀測、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，對制約地球起源和動力學(xué)演化亦很重要，是地球科學(xué)研究的熱點與前沿問題。

地球具有一個非常獨特的特點——板塊運動和俯沖。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條件下的波速特征研究具有關(guān)鍵意義。

然而，通過高壓實驗準(zhǔn)確測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下地幔發(fā)現(xiàn)的散射體。