地幔 混合对流模式有了“实锤”

“上天入地”是人类的梦想。不久之前，嫦娥四号已经在月球背面着陆，探索深空的奥妙；而地球科学工作者也一直致力于揭示地球内部的秘密。

近日，中国科学院测量与地球物理研究所倪四道等研究人员经过长期研究，发现了地幔混合对流的重要证据，为揭示地球深部秘密提供了新线索。

不断“进化”的地幔对流模式

上地幔下沉并到达地幔深处，下地幔热注上涌到达地表

基于地震波在地球内部传播速度的变化，地球固体表面以下划分为地壳、地幔和地核三个圈层。如果把它们比作溏心的鸡蛋，那么地幔就是固体的蛋白部分。地幔的厚度达2800多千米，其质量约占地球总质量的67%。根据地震波波速的变化，又可把地幔分为上地幔和下地幔两层，地幔在大约410千米、660千米的深度有两个界面，410千米以浅的部分是上地幔，660千米以深的部分为下地幔，410千米与660千米之间的部分称为地幔过渡带。

众所周知，地球存在板块运动。“板块运动是地幔运动在地表的表现形式。因地幔对流是板块运动的主要驱动机制，科学家们一般又称板块运动为地幔对流。”中国科学技术大学地球和空间科学学院地球动力学专家冷伟教授告诉科技日报记者，地幔对流的下边界是核幔边界，深度在2900千米左右，由于地核比地幔热很多，这相当于下地幔坐落于火炉之上，因此不断会有热柱上涌。

地幔对流有两种表现形式：一种是上地幔的冷板块下沉插入地幔，并到达地幔深处；另一种是下地幔的热柱上涌到达地表。“但是，一直以来，地幔对流模式都存在争议。”冷伟说。

最初，地球化学家认为地幔对流只发生在上地幔。他们发现地表的观测结果显示下地幔中保留有几十亿年前原始地幔的残留物质，这就说明至少部分下地幔并没有参与全地幔对流，即使参与地幔对流，也只是在下地幔内部进行。

上世纪90年代末，更多的证据表明，地幔对流不只存在于上地幔。科学家基本确认，俯冲的板块肯定能进入下地幔，相应的，地幔热柱也可以穿过地幔过渡带到达地表。“全地幔对流肯定存在，也被科学家广泛接受。”冷伟说。

然而，这就很难解释地球化学家的疑问，为什么下地幔中会保留有原始地幔的残留物质？

为了解决这个问题，地幔对流模式又进一步往前，演化出了地幔混合对流模式。新的模式认为，虽然俯冲板块可以穿过地幔过渡带进入下地幔，地幔热柱也可以从下地幔穿过地幔过渡带进入上地幔，但是这种穿过只在局部发生，也就是说有的地方是全地幔对流，有的地方上下地幔之间可能还有比较强的阻隔，并没有发生对流。

地幔间断面存在小尺度起伏

有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔整体对流

倪四道等人的研究为地幔混合对流模式提供了新证据。他们首次发现了非对称路径660千米间断面散射波震相，揭示了地幔660千米间断面的小尺度起伏特征。这一发现难以用全地幔对流或上下地幔分层对流模式解释，而支持地幔混合对流模式，即有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔整体对流。

“当地震波遇到比较光滑的界面时，会发生反射现象，且反射后的地震波沿着与入射波对称的方向传播，这就像一束光照到镜面上会往特定方向反射一样。”倪四道告诉记者，但是当界面比较粗糙时，地震波则可能沿着各个不同的方向反射，这被称为漫反射或者散射，此时入射波和散射波不再保持对称的关系。

“非对称路径660千米间断面散射波震相”是一种地震波在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。“在我们的研究中，没有观测到410千米界面的散射波，而是观测到了660千米界面的散射波，因此我们认为410千米界面比较光滑，660千米界面比较粗糙，也就是存在小尺度起伏。”倪四道说。

事实上，如果上下地幔物质均一，就不太容易出现这种起伏。如果出现起伏说明上下地幔之间可能存在化学界面。因此，研究人员提出410千米界面主要成因在于相变，660千米界面的成因则不完全为相变面，在一些区域还应该是化学界面，而其他区域化学分层不明显，存在化学界面就说明存在上下地幔整体对流。毫无疑问，这项研究成果支持了地幔混合对流模式。国际著名学者克里斯廷·豪泽（Christine Houser）在《科学》观点栏目撰文评价说：“这项研究成果可以帮助回答地球演化的根本性问题。”

“杀手”地震是个千里眼

地幔内部的元素分布、化学异常体结构等仍存争议

地幔对流到底是怎样运动起来的？运动的原因是什么？运动的结果是什么？科学家在回答这些问题时，会用到哪些方法呢？

对此，冷伟表示，研究这些问题，我们需要用到数值模拟的方法，通过数值模型使用高性能计算机来模拟地球内部的运动是什么样子。但是，这些模拟最终都需要通过各种观测来证实，也就是检验模型是否能解释地球内部运动的实际状况。

地震学也是研究地幔对流常用的方法。通过地震波我们既可以看到俯冲板块向下运动所到达的位置、如何穿过界面、到达核幔边界堆积的形态是什么样，也可以看到地幔热柱起源于哪儿、上升的形态是什么样等等。地震学是一种直接观测形态的方法。

此外，还有一种方法是化学地球动力学，也就是通过追踪地表元素迁移，来推测地球内部的运动。“这三种方法中，数值模拟方法是目前运用最多的方法。”冷伟说。

倪四道也表示，研究地幔对流的方法有多种，包括地球动力学数值模拟、实验室物理模拟、高温高压实验测量矿物岩石的流变性质、地震波成像、地球化学分析、大地测量学的大地水准面与重力场分析等。其中，地震学在研究地幔中发挥着极为重要的作用，地震波具有穿透全球的优势，可以对地幔进行成像，探测地幔的纵向和横向的不均匀性。

目前，地震学研究表明，上地幔高度复杂，下地幔相对简单，但下地幔的底部也非常复杂。地幔在各个尺度上均具有复杂性。俯冲板块可以穿过地幔过渡带进入下地幔，地幔热柱也可以从下地幔穿过地幔过渡带进入上地幔，地震学者们基本取得了一致意见。但是，在具体的元素分布、内部化学异常体的结构与形成等问题上还存在争议，需要进一步研究。