一项新研究表明，位于地核附近的早期地球的可能化学残余物可能是45亿年前与一颗古老行星的碰撞所遗留下来的。犹他大学的研究人员在地幔深处发现了物质层，他们说这有助于解释地球是如何演化的。
犹他大学地质学和地球物理学系副教授Michael S. Thorne说：“在我们所知道的深层地幔的所有特征中，超低速区代表了可能是最极端的特征。的确，这些是在地球上任何地方发现的最极端的一些特征。”
这项研究发表在《自然-地球科学》上，由美国国家科学基金会资助。
地球的内部结构为一同心状圈层构造，由地心至地表依次分化为地核、地幔、地壳。我们生活在地壳上，这是一层薄薄的固体岩石。在地壳和地球中心的铁-镍核心之间是地幔。它不是熔岩的海洋--相反，它更像固体岩石，但很热，而且有能力移动，推动了表面的板块构造。
我们怎么能知道地幔和地核中发生了什么？地震波。当地震发生后，地表的科学家可以测量地震波如何以及何时到达世界各地的监测站。根据这些测量结果，他们可以反算出地震波是如何被地球内部的结构（包括不同密度的地层）反射和偏转的。这就是我们如何知道地壳、地幔和地核之间的边界--以及部分我们如何知道它们是由什么构成的。
超低速区位于地幔的底部，在液态金属外核的顶部。在这些区域，地震波的速度减慢了一半，而密度增加了三分之一。
科学家们最初认为，这些区域是地幔部分融化的地方，可能是冰岛等所谓 “热点”火山地区的岩浆来源。
“但是大多数我们称之为超低速区的东西似乎并不位于热点火山的下面，”Thorne说，“所以这不可能是全部的故事。”
因此，Thorne、博士后学者Surya Pachhai和来自澳大利亚国立大学、亚利桑那州立大学和卡尔加里大学的科学家们开始探索另一种假设：超低速区可能是由与地幔其他部分不同的岩石构成的区域--它们的组成可能可以追溯到早期地球。
Thorne说，也许超低速区可能是氧化铁的集合，我们在表面看到的是铁锈，但在地幔深处可以表现为一种金属。如果是这样的话，就在地核外的氧化铁“袋”可能会影响地球的磁场，而地球的磁场就在下面产生。
Pachhai说：“超低速区的物理特性与它们的起源有关，这反过来又提供了关于地球最下层地幔的热和化学状态、演变和动力学的重要信息--这是驱动板块构造的地幔对流的一个重要部分。”
为了得到一个清晰的画面，研究人员研究了澳大利亚和新西兰之间的珊瑚海下面的超低速区。这是一个理想的地点，因为该地区有大量的地震，这提供了一个地核-地幔边界的高分辨率地震图片。人们希望高分辨率的观测能够揭示更多关于超低速区是如何组合在一起的。
但是，通过近1800英里的地壳和地幔获得一个地震图像并不容易。它也不一定是结论性的--厚厚的低速物质层可能与薄薄的更低速物质层一样反射地震波。因此，该团队使用了一种反向工程的方法。
“我们可以创建一个包括超低波速减少的地球模型，”Pachhai说，“然后运行一个计算机模拟，告诉我们如果地球真的是这个样子，地震波形会是什么样子。我们的下一步是将这些预测的记录与我们实际拥有的记录进行比较。”
在数十万次的模型运行中，这种被称为“贝叶斯反演”的方法产生了一个数学上稳健的内部模型，对模型中不同假设的不确定性和权衡有很好的理解。
研究人员想要回答的一个特殊问题是，在超低速区中是否存在内部结构，比如说层。根据模型，答案是，层是非常有可能的。这是一个大问题，因为它为理解这些区域是如何形成的指明了方向。
Pachhai说：“据我们所知，这是第一个在这种详细程度上使用贝叶斯方法来研究超低速区的研究，"它也是第一个证明超低速区内有强烈分层的研究。”
地球的起源
可能存在分层是什么意思？40多亿年前，当稠密的铁沉入早期地球的核心，而较轻的矿物漂浮到地幔时，一个与火星差不多大的行星天体可能撞上了这个新生的行星。这次碰撞可能将碎片扔进了地球的轨道，这些碎片后来可能形成了月球。它还显著提高了地球的温度--正如你所期望的那样，两颗行星相互撞击。
Pachhai说：“因此，形成了一大批熔融物质，被称为岩浆海洋。”这个“海洋”将由悬浮在岩浆中的岩石、气体和晶体组成。
海洋在冷却过程中会进行自我“分类”，密集的物质会下沉并分层到地幔的底部。
在接下来的几十亿年里，随着地幔的搅动和对流，致密层会被推成小块，显示为我们今天看到的分层超低速区。
Pachhai说：“因此，最主要和最令人惊讶的发现是，超低速区并不是同质的，而是在其中含有强烈的异质性（结构和成分的变化）。这一发现改变了我们对超低速区的起源和动态的看法。我们发现，这种类型的超低速区可以用地球历史之初产生的化学异质性来解释，而且在45亿年的地幔对流之后，它们仍然没有得到很好的混合。”
不是最后的结论
这项研究为一些超低速区的起源提供了一些证据，尽管也有证据表明其他超低速区有不同的起源，例如正在下沉到地幔中的海洋地壳的熔化。但是，如果至少有一些超低速区是早期地球的遗留物，那么它们就保留了地球的一些历史，否则就会丢失。
Pachhai说：“因此，我们的发现为了解地球地幔的初始热和化学状态以及它们的长期演变提供了一个工具。”