近日，Nature上的封面文章成功了引起了大家的注意。這篇名為《Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies》似乎給大家提供了獨特的思路去研究地球深部的異常。具體是怎麼回事？讓我們一同分析下這篇牛文。

在地球深部的研究中，有這樣一種異常一直是人們研究的熱點（不是地幔柱！！！當然地幔柱也是熱點！），那就是large low shear velocity provinces (LLSVPs)，大型低剪切波速體。LLSVPs主要分佈在非洲和太平洋板塊下方的核幔邊界處，其規模達到千公里級別。這兩處低速異常在在幾十年前就已經被發現，其主要特徵就是其剪切地震波的波速（Vs）異常低。對於其形成各家有各家的證據，在本文沒出來之前，大家認為可能是由於板塊俯衝堆積形成的異常體（Christensen et. al., 1997）、或者是核幔的相互作用（Knittle et. al., 1989）等等。這些假設或是基於地球動力學的模擬或是基於高溫高壓的模擬等等。因此，這篇Nature文章一出，就立馬提供了新的思路！

LLSVPs 的分佈（Garnero et. al., 2016）

但是地球內部的奇怪玩意會和月球有關係呢？那就不得不提到月球的起源之謎了。目前最讓大家接受的月球起源的假說就是大碰撞假說：它認為月球是由一個火星大小的天體（忒伊亞）與原始地球發生撞擊後，濺射出來的物質凝聚而成的。這一假說可以解釋月球的貧鐵、貧揮發份、高角動量和同位素組成等特徵。不過，一旦構建碰撞模型，難免會有難以讓人滿意的地方，比如跟這些異常區域相關的洋島玄武岩的稀有氣體同位素為何具有比月球還要古老的原始地幔物質，因此就需要提出新的模型或者證據去完善假說。

LLSVPs的形成示意圖（Yuan et. al., 2023）

本文的研究者就認為LLSVPs有可能是大碰撞的產物，有可能是「忒伊亞」的地幔的物質。那麼證據呢？主要有三點：

1. 本篇文章更精細的模擬演算法表明，標準的大碰撞模型只能熔化地球地幔的上半部分，而下半部分仍舊是固態的，但高溫高壓實驗和同位素證據顯示，地幔下部分也存在部分熔化，這說明大碰撞模型並不完善；

2. 如果有百分之二地球質量的物質撞擊地幔，那麼將會有部分物質直接撞進固態的下地幔，而這部分物質的質量與LLSVPs的質量相近；

3. 在結合對月幔的分析下，研究者發現月幔Fe含量更高些，進一步分析後發現，Fe含量高會導致「忒伊亞」的地幔密度要比地球地幔密度大，這就直接導致「忒伊亞」侵入的物質會逐步下沉至核幔邊界，形成現在的LLSVPs。

LLSVPs等的溫度、「忒伊亞」地幔物質成分組成、Vs相對變化（Yuan et. al., 2023）

這三點證據揭示了大碰撞模型中的部分缺陷，調和了大碰撞模型和地幔不均一性之間的矛盾，也為地月的同位素的一致性提供了新的動力學模型約束。這不禁會讓人想到，太陽系早期這樣的碰撞並不少見，那麼其他行星也有這樣的情況嗎？還真可能存在，等到其他行星的儀器和資料越來越多，也會有越來越多的有趣現象被揭露的。最後提一句，不過我們也不要盲目相信這些結果，有可能未來有更多直接的證據出現，會推翻很多結論，畢竟認知是在不斷地更新，等你來創造！

參考文獻

[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

近期文章

流感肆虐，太陽也遭殃？

那個不斷擴大的臭氧空洞，如今怎麼樣了？

這風，怎麼就捲起來了？

我的安家點

——蓋爾隕石坑/環形山

石頭

DR.STONE

工作室

科普

撰稿：行雨

美編：劉俞伶

DR.STONE · 致力於地球和空間科學科普