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地球深部物质为何不均一? 我国学者破解成因

2020-01-23 科技日报 吴长锋
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地球深部物质分布受访者供图

  记者从中国科学技术大学获悉,该校地球和空间科学学院吴忠庆教授课题组与同行合作,发现俯冲洋壳是地球深部物质不均一性的重要来源。该研究成果日前在线发表于国际综合期刊《自然·通讯》上。

  地球的物质组成对理解地球起源、演化与动力学过程至关重要。地球内部圈层可大致分为地壳、上地幔、下地幔和地核。下地幔是地球内部最重要的圈层之一,深度范围约为660—2900公里,是地球演化的压舱石。虽然很难获得来自下地幔的样品,但是地震波具有穿透整个地球的能力,从而提供了地球深内部结构探测的关键手段。近年来,随着地震波观测、分析与模拟技术的发展,地震学者发现在下地幔存在许多尺度不一的异常体,这些异常体的成因对理解地球内部结构与物质组成起着关键的作用,对制约地球起源和动力学演化亦很重要,是地球科学研究的热点与前沿问题。

  地球具有一个非常独特的特点——板块运动和俯冲。板块可以俯冲至地球深部甚至核幔边界,从而在下地幔形成化学物质不均一性。俯冲洋壳是俯冲大洋岩石圈最上面一层的硅酸盐物质,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来源。目前,关于下地幔的异常主要由地震波速表征,因此,开展俯冲洋壳在下地幔温度和压强条件下的波速特征研究具有关键意义。

  然而,通过高压实验准确测量矿物在下地幔温压条件下的波速十分困难,因此数据十分有限。经过数年的研究积累,该课题组确定了俯冲洋壳在下地幔温压条件的波速和密度特征。研究结果表明,洋壳的波速随深度变化而变化,洋壳表现为低波速;在更深处,洋壳则表现为高波速。这意味着俯冲洋壳在下地幔并非简单地表现为高速或者低速,而是取决于深度。俯冲洋壳可以很好地解释下地幔下部的高速异常体和在整个下地幔发现的散射体。

打印 责任编辑:侯茜
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