地球演化又有新发现!地幔间断面成因及地幔对流模式研究获进展

发布时间:2019-02-25

板块构造学说是固体地球科学的基石,刻画了岩石圈的基本运动学特征,而地幔对流理论则为理解板块运动提供了动力学基础。早在1928年英国地质学家A.霍姆斯认为地幔对流的上升流处地壳裂开,形成新的大洋底,对流的下降流处地壳挤压形成山脉。然而长期以来,地幔对流模式的研究一直存在巨大的争议,分歧主要集中于全地幔对流和上下地幔分层对流两个模式。

 

日前,记者从中国科大获悉,该校和中科院测地所的科研人员与国际同行开展合作,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410660千米间断面的小尺度起伏特征,为地幔对流模式研究提供关键证据,研究成果日前在国际权威期刊《科学》上发表。国际著名学者Christine Houser在《科学》同期Perspective栏目撰文评述道:“该项研究成果可以帮助回答地球演化的根本性问题。”


 


据了解,研究团队基于温度及化学成分对地幔间断面各种横向尺度起伏的不同控制作用,对间断面的成因及地幔对流模式开展研究。温度异常及化学成分异常均可造成大尺度(1000千米)和中等尺度(100千米)的地幔间断面起伏。数年间,科研人员搜集了全球密集台阵记录到的深震波形,开展了慢度、偏振、到时、包络形态等多震相特征分析,计算了一系列理论散射地震图、并与实测地震波形对比,发现了660千米界面小尺度起伏导致的前驱散射波,而且该信号强度存在区域差异。对应于410千米界面的前驱散射波没有被观测到,表明该界面比较平滑。

 

该研究聚焦于地球内部界面起伏探测方法,提出了非对称路径背向散射PKP波约束小尺度起伏的新方法。该研究以PKiKPPKKKP等体波作为参考震相,估计了660千米间断面小尺度起伏的幅度,估计其功率谱系数C2D量级为101000米,远大于地表的小尺度起伏(C2D为米级),表明660千米间断面小尺度起伏远比地表的更剧烈。


 

基于地震学的观测与分析,科研人员提出410千米界面主要成因为相变,660千米界面则不完全为相变面,在一些区域还应该是化学分界面,在其他区域化学分层不明显。这项发现难以用全地幔对流或分层对流模式解释,而支持地幔混合对流模式。该发表文章建议,开展地球动力学、地震学、地球化学等多学科交叉合作,有助于定量研究上下地幔物质交换的效率,从而进一步深化对地球动力学的理解。

 

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