近日，Nature上的封面文章成功引起了大家的注意。这篇名为Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies似乎给大家提供了独特的思路去研究地球深部的异常。具体是怎么回事？让我们一同分析下这篇牛文。



在地球深部的研究中，有这样一种异常一直是人们研究的热点（不是地幔柱，当然地幔柱也是热点），那就是large low shear velocity provinces（LLSVPs），大型低剪切波速体。LLSVPs主要分布在非洲和太平洋板块下方的核幔边界处，其规模达到千公里级别。


这两处低速异常在几十年前就已经被发现，其主要特征就是其剪切地震波的波速（Vs）异常低。对于其形成各家有各家的证据，在本文没出来之前，大家认为可能是由于板块俯冲堆积形成的异常体（Christensen et. al.， 1997）或者是核幔的相互作用（Knittle et. al.， 1989）等等。这些假设或是基于地球动力学的模拟或是基于高温高压的模拟。因此，这篇Nature文章一出，就立马提供了新的思路。


LLSVPs 的分布（Garnero et. al.， 2016）


但是地球内部的奇怪玩意会和月球有关系呢？那就不得不提到月球的起源之谜了。目前最让大家接受的月球起源的假说就是大碰撞假说：它认为月球是由一个火星大小的天体（忒伊亚）与原始地球发生撞击后，溅射出来的物质凝聚而成的。


这一假说可以解释月球的贫铁、贫挥发分、高角动量和同位素组成等特征。不过，一旦构建碰撞模型，难免会有难以让人满意的地方，比如跟这些异常区域相关的洋岛玄武岩的稀有气体同位素为何具有比月球还要古老的原始地幔物质，因此就需要提出新的模型或者证据去完善假说。


LLSVPs的形成示意图（Yuan et. al.， 2023）


本文的研究者就认为LLSVPs有可能是大碰撞的产物，有可能是“忒伊亚”的地幔的物质。


那么证据呢？主要有三点：


1. 本篇文章更精细的模拟算法表明，标准的大碰撞模型只能熔化地球地幔的上半部分，而下半部分仍旧是固态的，但高温高压实验和同位素证据显示，地幔下部分也存在部分熔化，这说明大碰撞模型并不完善；


2. 如果有百分之二地球质量的物质撞击地幔，那么将会有部分物质直接撞进固态的下地幔，而这部分物质的质量与LLSVPs的质量相近；


3. 在结合对月幔的分析下，研究者发现月幔Fe含量更高些，进一步分析后发现，Fe含量高会导致“忒伊亚”的地幔密度要比地球地幔密度大，这就直接导致“忒伊亚”侵入的物质会逐步下沉至核幔边界，形成现在的LLSVPs。


LLSVPs等的温度、“忒伊亚”地幔物质成分组成、Vs相对变化（Yuan et. al.， 2023）


这三点证据揭示了大碰撞模型中的部分缺陷，调和了大碰撞模型和地幔不均一性之间的矛盾，也为地月的同位素的一致性提供了新的动力学模型约束。


这不禁会让人想到，太阳系早期这样的碰撞并不少见，那么其他行星也有这样的情况吗？还真可能存在，等到其他行星的仪器和资料越来越多，也会有越来越多的有趣现象被揭露的。


最后提一句，不过我们也不要盲目相信这些结果，有可能未来有更多直接的证据出现，会推翻很多结论，毕竟认知是在不断地更新，等你来创造。


参考文献

[1]Yuan Q， Li M， Desch S J， et al.Moon-forming impactor as a source of Earth's basal mantle anomalies. Nature， 2023， doi: 10.1038/s41586-023-06589-1.

[2]Garnero E J， McNamara A K， Shim S H. Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle. Nat Geosci， 2016， 9: 481–489

[3]Christensen U R. Influence of chemical buoyancy on the dynamics of slabs in the transition zone. J Geophys Res， 1997， 102: 22435–22443

[4]Knittle E， Jeanloz R. Simulating the core-mantle boundary: An experimental study of high-pressure reactions between silicates and liquid ironslab penetration. Geophys Res Lett， 1989， 16: 609–612


本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：行雨