这下，地幔 混合对流模式有了“实锤”

本文摘要：“上天入地”是人类的梦想。旋即之前，嫦娥四号早已在月球背面降落，探寻深空的奥妙；而地球科学工作者也仍然致力于说明了地球内部的秘密。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年研究，找到了地幔混合对流的最重要证据，为说明了地球深部秘密获取了新的线索。 大大“演化”的地幔对流模式上地幔沉降并抵达地幔深处，下地幔热注地幔抵达地表基于地震波在地球内部传播速度的变化，地球液体表面以下区分为地壳、地幔和地核三个圈层。如果把它们比作溏心的鸡蛋，那么地幔就是液体的蛋白部分。

“上天入地”是人类的梦想。旋即之前，嫦娥四号早已在月球背面降落，探寻深空的奥妙；而地球科学工作者也仍然致力于说明了地球内部的秘密。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年研究，找到了地幔混合对流的最重要证据，为说明了地球深部秘密获取了新的线索。

大大“演化”的地幔对流模式上地幔沉降并抵达地幔深处，下地幔热注地幔抵达地表基于地震波在地球内部传播速度的变化，地球液体表面以下区分为地壳、地幔和地核三个圈层。如果把它们比作溏心的鸡蛋，那么地幔就是液体的蛋白部分。

地幔的厚度约2800多千米，其质量大约占到地球总质量的67%。根据地震波波速的变化，又可把地幔分成上地幔和下地幔两层，地幔在约410千米、660千米的深度有两个界面，410千米以深的部分是上地幔，660千米以浅的部分为下地幔，410千米与660千米之间的部分称作地幔过渡带。众所周知，地球不存在板块运动。“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他科技日报记者，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，这相等于下地幔座落在火炉之上，因此大大不会有热柱地幔。地幔对流有两种表现形式：一种是上地幔的冷板块沉降放入地幔，并抵达地幔深处；另一种是下地幔的热柱地幔抵达地表。

“但是，仍然以来，地幔对流模式都不存在争议。”冷伟说道。

最初，地球化学家指出地幔对流只再次发生在上地幔。他们找到地表的观测结果显示下地幔中保有有几十亿年前完整地幔的残余物质，这就解释最少部分下地幔并没参予仅有地幔对流，即使参予地幔对流，也只是在下地幔内部展开。上世纪90年代末，更好的证据指出，地幔对流不只不存在于上地幔。科学家基本证实，低空的板块认同能转入下地幔，适当的，地幔热柱也可以穿越地幔过渡带抵达地表。

“仅有地幔对流认同不存在，也被科学家普遍拒绝接受。”冷伟说道。

然而，这就很难说明地球化学家的疑惑，为什么下地幔中不会保有有完整地幔的残余物质？为了解决问题这个问题，地幔对流模式又更进一步往前，演化出了地幔混合对流模式。新的模式指出，虽然低空板块可以穿越地幔过渡带转入下地幔，地幔热柱也可以从下地幔穿越地幔过渡带转入上地幔，但是这种穿越只在局部再次发生，也就是说有的地方是全地幔对流，有的地方上下地幔之间有可能还有较为强劲的隔绝，并没再次发生对流。地幔停歇面不存在小尺度平缓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获取了新的证据。

他们首次找到了非对称路径660千米停歇面衍射波震互为，说明了了地幔660千米停歇面的小尺度平缓特征。这一找到无法用全地幔对流或上下地幔分层对流模式说明，而反对地幔混合对流模式，即有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔整体对流。“当地震波遇上较为平滑的界面时，不会再次发生光线现象，且光线后的地震波沿着与入射波平面的方向传播，这就像一束光照到镜面都会往特定方向光线一样。”倪四道告诉他记者，但是当界面较为坚硬时，地震波则有可能沿着各个有所不同的方向光线，这被称作漫反射或者衍射，此时入射波和衍射波仍然维持平面的关系。

“非对称路径660千米停歇面衍射波震互为”是一种地震波在660千米界面上的衍射波，它指出660千米界面不存在一定粗糙度。“在我们的研究中，没观测到410千米界面的衍射波，而是观测到了660千米界面的衍射波，因此我们指出410千米界面较为平滑，660千米界面较为坚硬，也就是不存在小尺度平缓。”倪四道说道。

事实上，如果上下地幔物质皆一，就不过于更容易经常出现这种平缓。如果经常出现平缓解释上下地幔之间有可能不存在化学界面。

因此，研究人员明确提出410千米界面主要成因在于热力学，660千米界面的成因则不几乎为热力学面，在一些区域还应当是化学界面，而其他区域化学分层不显著，不存在化学界面就解释不存在上下地幔整体对流。毫无疑问，这项研究成果反对了地幔混合对流模式。国际知名学者克里斯廷·豪泽（Christine Houser）在《科学》观点栏目撰文评价说道：“这项研究成果可以协助问地球进化的根本性问题。

”“刺客”地震是个千里眼地幔内部的元素产于、化学出现异常体结构等仍遗争议地幔对流究竟是怎样运动一起的？运动的原因是什么？运动的结果是什么？科学家在问这些问题时，不会中用哪些方法呢？回应，冷伟回应，研究这些问题，我们必须中用数值仿真的方法，通过数值模型用于高性能计算机来仿真地球内部的运动是什么样子。但是，这些仿真最后都必须通过各种观测来证实，也就是检验模型否能说明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见低空板块向上运动所抵达的方位、如何穿越界面、抵达核幔边界冲刷的形态是什么样，也可以看见地幔热柱源于哪儿、下降的形态是什么样等等。

地震学是一种必要观测形态的方法。此外，还有一种方法是化学地球动力学，也就是通过跟踪地表元素迁入，来推断地球内部的运动。“这三种方法中，数值仿真方法是目前运用最少的方法。

”冷伟说道。倪四道也回应，研究地幔对流的方法有多种，还包括地球动力学数值仿真、实验室物理仿真、高温高压实验测量矿物岩石的历史发展性质、地震波光学、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充分发挥着极为重要的起到，地震波具备击穿全球的优势，可以对地幔展开光学，观测地幔的横向和纵向的不均匀分布性。目前，地震学研究指出，上地幔高度简单，下地幔比较非常简单，但下地幔的底部也非常复杂。地幔在各个尺度上均具备复杂性。

低空板块可以穿越地幔过渡带转入下地幔，地幔热柱也可以从下地幔穿越地幔过渡带转入上地幔，地震学者们基本获得了一致意见。但是，在明确的元素产于、内部化学出现异常体的结构与构成等问题上还不存在争议，必须更进一步研究。

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