所有小学生都知道地球分为三（或四）大层：地壳、地幔和地核。 这通常是正确的，尽管这种概括没有考虑科学家确定的几个附加层，例如其中之一是地幔内的过渡层。
在 15 年 2019 月 1994 日发表的一项研究中，普林斯顿大学地球物理学家杰西卡·欧文和硕士生吴文波与中国大地测量与地球物理研究所的倪思道合作，利用 660 年玻利维亚强烈地震获得的数据来寻找山脉。以及地幔深处过渡带表面的其他地形特征。 该层位于地下660公里处，将上地幔和下地幔分开（该层没有正式名称，研究人员简单地将其称为“XNUMX公里边界”）。
为了“观察”如此深的地下，科学家们使用了地球上最强大的地震波。 “你需要一场强烈的深层地震来震动地球，”地球科学助理教授杰西卡·欧文说。
大地震比普通地震的威力要大得多——里氏震级每增加一级，其能量就会增加 30 倍。 欧文从 7.0 级及以上的地震中获得了最好的数据，因为此类大地震发出的地震波向不同方向传播，可以穿过地核传播到地球的另一侧并返回。 在这项研究中，关键数据来自 8.3 年震撼玻利维亚的 1994 级地震（地质学家记录的第二大地震）记录的地震波。
“这种强度的地震并不经常发生。 我们非常幸运，现在世界各地安装的地震仪比 20 年前多得多。 得益于新仪器和计算机能力，过去 20 年地震学也发生了巨大变化。
地震学家和数据科学家使用超级计算机（例如普林斯顿大学的 Tiger cluster 超级计算机）来模拟地下深处散射地震波的复杂行为。
技术基于波的基本特性：反射和折射的能力。 正如光波在穿过棱镜时可以从镜子反射（反射）或弯曲（折射）一样，地震波穿过均质岩石，但当它们在路径中遇到粗糙表面时会被反射或折射。
“我们知道，几乎所有物体都有不平坦的表面，因此都会散射光，”该研究的主要作者吴文波说，他最近获得了地理学博士学位，目前正在加州理工学院攻读博士后。 “由于这一事实，我们可以‘看到’这些物体——散射波携带有关它们在路径上遇到的表面粗糙度的信息。 在这项研究中，我们观察了在地球深处传播的散射地震波，以确定所发现的 660 公里边界的“粗糙度”。”
研究人员对这个边界的“粗糙”程度感到惊讶——甚至比我们生活的表层还要粗糙。 “换句话说，这个地下层的地形比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更复杂，”吴说。 他们的统计模型无法确定这些地下山脉的确切高度，但它们很可能比地球表面的任何东西都高得多。 科学家还注意到，660公里的边界分布也不均匀。 就像陆地层有的地方有光滑的海洋表面，有的地方有巨大的山脉一样，660公里的边界也有粗糙的地带和光滑的地层。 研究人员还观察了410公里深处的地下层和中地幔顶部，但未能在这些表面发现类似的粗糙度。
“他们发现 660 公里的边界与表层一样复杂，”未参与这项研究的东京工业大学助理教授、地震学家克里斯蒂娜·豪瑟 (Christina Hauser) 说。 “利用强烈地震产生的地震波来发现地下 3 公里深处地形的 660 公里高差是一项难以想象的壮举……他们的发现意味着，在未来，使用更先进的地震仪器，我们将能够探测以前未知的微妙信号，这将向我们揭示地球内层的新特性。”
地球物理学助理教授、地震学家杰西卡·欧文持有普林斯顿大学收藏的两块陨石，其中含有铁，据信是地球的一部分。
照片由丹尼斯·阿佩尔怀特拍摄。
这是什么意思？
660 公里边界上存在的粗糙表面对于了解我们的星球如何形成和运作非常重要。 这一层将地幔（约占地球体积的 84%）分为上层和下层。 多年来，地质学家一直在争论这条边界的重要性。 他们特别研究了热量如何通过地幔传输，以及受热的岩石是否从古腾堡边界（将地幔与地核分开的层，深度 2900 公里）移动到地幔顶部，或者这种运动是否在660公里边界处中断。 一些地球化学和矿物学证据表明，地幔的上层和下层具有不同的化学成分，支持这两层在热或物理上不混溶的观点。 其他观察结果表明，地幔的上层和下层没有化学差异，引发了关于所谓“充分混合地幔”的争论，即地幔的两层都参与相邻的热交换循环。
“我们的研究为这场争论提供了新的见解，”吴文波说。 从这项研究中获得的数据表明，双方都可能部分正确。 660公里边界的较光滑地层可能是由于彻底的垂直混合而形成的，而较粗糙的山区可能是由于上地幔和下地幔的混合进行得不顺利而形成的。
此外，研究科学家在大、中、小尺度上检测到了所发现边界处层的“粗糙度”，理论上这可能是由热异常或化学不均匀性引起的。 但吴解释说，由于热量在地幔中传输的方式，任何小规模的热异常都会在几百万年内消失。 因此，只有化学异质性才能解释该层的粗糙度。
是什么导致了如此显着的化学异质性？ 例如，地幔层中出现的岩石属于地壳，并在数百万年的时间里移动到了那里。 长期以来，科学家们一直在争论海底板块的命运，这些板块被太平洋和全球其他地区碰撞的俯冲带推入地幔。 Weibo Wu 和 Jessica Irving 认为这些板块的残余物现在可能位于 660 公里边界之上或之下。
“很多人认为，仅利用地震波数据来研究地球内部结构及其过去4.5亿年来的变化是相当困难的。 “但这远非事实！”欧文说，“这项研究为我们提供了有关数十亿年来沉入地幔的古代构造板块命运的新信息。”
最后，欧文补充道：“我认为地震学最有趣的地方在于它可以帮助我们了解地球在空间和时间上的内部结构。”
来自翻译作者：我一直想尝试将一篇科普文章从英文翻译成俄文，但没想到 至于 情况很复杂。 非常尊重那些经常有效翻译哈布雷文章的人。 要专业翻译文本，您不仅需要了解英语，还需要通过研究第三方资源来理解主题本身。 添加一点“插科打诨”，让它听起来更自然，但也不要过度，以免破坏文章。 非常感谢您的阅读 ：）
来源： habr.com