陸成寬

“上天入地”是人類的夢(mèng)想。不久之前，嫦娥四號(hào)已經(jīng)在月球背面著陸，探索深空的奧妙;而地球科學(xué)工作者也一直致力于揭示地球內(nèi)部的秘密。

近日，中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所倪四道等研究人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，發(fā)現(xiàn)了地幔混合對(duì)流的重要證據(jù)，為揭示地球深部秘密提供了新線索。

1.不斷“進(jìn)化”的

地幔對(duì)流模式

基于地震波在地球內(nèi)部傳播速度的變化，地球固體表面以下劃分為地殼、地幔和地核三個(gè)圈層。如果把它們比作溏心的雞蛋，那么地幔就是固體的蛋白部分。地幔的厚度達(dá)2800多千米，其質(zhì)量約占地球總質(zhì)量的67%。根據(jù)地震波波速的變化，又可把地幔分為上地幔和下地幔兩層，地幔在大約410千米、660千米的深度有兩個(gè)界面，410千米以淺的部分是上地幔，660千米以深的部分為下地幔，410千米與660千米之間的部分稱為地幔過(guò)渡帶。

眾所周知，地球存在板塊運(yùn)動(dòng)?！鞍鍓K運(yùn)動(dòng)是地幔運(yùn)動(dòng)在地表的表現(xiàn)形式。因地幔對(duì)流是板塊運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制，科學(xué)家們一般又稱板塊運(yùn)動(dòng)為地幔對(duì)流?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院地球動(dòng)力學(xué)專家冷偉教授表示，地幔對(duì)流的下邊界是核幔邊界，深度在2900千米左右，由于地核比地幔熱很多，這相當(dāng)于下地幔坐落于火爐之上，因此不斷會(huì)有熱柱上涌。

地幔對(duì)流有兩種表現(xiàn)形式：一種是上地幔的冷板塊下沉插入地幔，并到達(dá)地幔深處;另一種是下地幔的熱柱上涌到達(dá)地表?！暗牵恢币詠?lái)，地幔對(duì)流模式都存在爭(zhēng)議。”冷偉說(shuō)。

最初，地球化學(xué)家認(rèn)為地幔對(duì)流只發(fā)生在上地幔。他們發(fā)現(xiàn)地表的觀測(cè)結(jié)果顯示下地幔中保留有幾十億年前原始地幔的殘留物質(zhì)，這就說(shuō)明至少部分下地幔并沒(méi)有參與全地幔對(duì)流，即使參與地幔對(duì)流，也只是在下地幔內(nèi)部進(jìn)行。

20世紀(jì)90年代末，更多的證據(jù)表明，地幔對(duì)流不只存在于上地幔?？茖W(xué)家基本確認(rèn)，俯沖的板塊肯定能進(jìn)入下地幔，相應(yīng)的，地幔熱柱也可以穿過(guò)地幔過(guò)渡帶到達(dá)地表。“全地幔對(duì)流肯定存在，也被科學(xué)家廣泛接受?！崩鋫フf(shuō)。

然而，這就很難解釋地球化學(xué)家的疑問(wèn)，為什么下地幔中會(huì)保留有原始地幔的殘留物質(zhì)？

為了解決這個(gè)問(wèn)題，地幔對(duì)流模式又進(jìn)一步往前，演化出了地幔混合對(duì)流模式。新的模式認(rèn)為，雖然俯沖板塊可以穿過(guò)地幔過(guò)渡帶進(jìn)入下地幔，地幔熱柱也可以從下地幔穿過(guò)地幔過(guò)渡帶進(jìn)入上地幔，但是這種穿過(guò)只在局部發(fā)生，也就是說(shuō)有的地方是全地幔對(duì)流，有的地方上下地幔之間可能還有比較強(qiáng)的阻隔，并沒(méi)有發(fā)生對(duì)流。

2.地幔間斷面存在小尺度起伏

倪四道等人的研究為地?；旌蠈?duì)流模式提供了新證據(jù)。他們首次發(fā)現(xiàn)了非對(duì)稱路徑660千米間斷面散射波震相，揭示了地幔660千米間斷面的小尺度起伏特征。這一發(fā)現(xiàn)難以用全地幔對(duì)流或上下地幔分層對(duì)流模式解釋，而支持地?；旌蠈?duì)流模式，即有些區(qū)域地幔分層對(duì)流、有些區(qū)域上下地幔整體對(duì)流。

“當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅奖容^光滑的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，且反射后的地震波沿著與入射波對(duì)稱的方向傳播，這就像一束光照到鏡面上會(huì)往特定方向反射一樣?！蹦咚牡栏嬖V記者，但是當(dāng)界面比較粗糙時(shí)，地震波則可能沿著各個(gè)不同的方向反射，這被稱為漫反射或者散射，此時(shí)入射波和散射波不再保持對(duì)稱的關(guān)系。

“非對(duì)稱路徑660千米間斷面散射波震相”是一種地震波在660千米界面上的散射波，它表明660千米界面存在一定粗糙度?！霸谖覀兊难芯恐?，沒(méi)有觀測(cè)到410千米界面的散射波，而是觀測(cè)到了660千米界面的散射波，因此我們認(rèn)為410千米界面比較光滑，660千米界面比較粗糙，也就是存在小尺度起伏?！蹦咚牡勒f(shuō)。

事實(shí)上，如果上下地幔物質(zhì)均一，就不太容易出現(xiàn)這種起伏。如果出現(xiàn)起伏說(shuō)明上下地幔之間可能存在化學(xué)界面。因此，研究人員提出410千米界面主要成因在于相變，660千米界面的成因則不完全為相變面，在一些區(qū)域還應(yīng)該是化學(xué)界面，而其他區(qū)域化學(xué)分層不明顯，存在化學(xué)界面就說(shuō)明存在上下地幔整體對(duì)流。毫無(wú)疑問(wèn)，這項(xiàng)研究成果支持了地?；旌蠈?duì)流模式。國(guó)際著名學(xué)者克里斯廷·豪澤（Christine?Houser）在《科學(xué)》觀點(diǎn)欄目撰文評(píng)價(jià)說(shuō)：“這項(xiàng)研究成果可以幫助回答地球演化的根本性問(wèn)題。”

3.“殺手”地震是個(gè)千里眼

地幔對(duì)流到底是怎樣運(yùn)動(dòng)起來(lái)的？運(yùn)動(dòng)的原因是什么？運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是什么？科學(xué)家在回答這些問(wèn)題時(shí)，會(huì)用到哪些方法呢？

對(duì)此，冷偉表示，研究這些問(wèn)題，我們需要用到數(shù)值模擬的方法，通過(guò)數(shù)值模型使用高性能計(jì)算機(jī)來(lái)模擬地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是什么樣子。但是，這些模擬最終都需要通過(guò)各種觀測(cè)來(lái)證實(shí)，也就是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠衲芙忉尩厍騼?nèi)部運(yùn)動(dòng)的實(shí)際狀況。

地震學(xué)也是研究地幔對(duì)流常用的方法。通過(guò)地震波我們既可以看到俯沖板塊向下運(yùn)動(dòng)所到達(dá)的位置、如何穿過(guò)界面、到達(dá)核幔邊界堆積的形態(tài)是什么樣，也可以看到地幔熱柱起源于哪兒、上升的形態(tài)是什么樣等等。地震學(xué)是一種直接觀測(cè)形態(tài)的方法。

此外，還有一種方法是化學(xué)地球動(dòng)力學(xué)，也就是通過(guò)追蹤地表元素遷移，來(lái)推測(cè)地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)?！斑@三種方法中，數(shù)值模擬方法是目前運(yùn)用最多的方法。”冷偉說(shuō)。

倪四道也表示，研究地幔對(duì)流的方法有多種，包括地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)室物理模擬、高溫高壓實(shí)驗(yàn)測(cè)量礦物巖石的流變性質(zhì)、地震波成像、地球化學(xué)分析、大地測(cè)量學(xué)的大地水準(zhǔn)面與重力場(chǎng)分析等。其中，地震學(xué)在研究地幔中發(fā)揮著極為重要的作用，地震波具有穿透全球的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)地幔進(jìn)行成像，探測(cè)地幔的縱向和橫向的不均勻性。

目前，地震學(xué)研究表明，上地幔高度復(fù)雜，下地幔相對(duì)簡(jiǎn)單，但下地幔的底部也非常復(fù)雜。地幔在各個(gè)尺度上均具有復(fù)雜性。俯沖板塊可以穿過(guò)地幔過(guò)渡帶進(jìn)入下地幔，地幔熱柱也可以從下地幔穿過(guò)地幔過(guò)渡帶進(jìn)入上地幔，地震學(xué)者們基本取得了一致意見(jiàn)。但是，在具體的元素分布、內(nèi)部化學(xué)異常體的結(jié)構(gòu)與形成等問(wèn)題上還存在爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步研究。