地表以下2900公里处 ，在地幔与液态外核的交界面上 ，存在着两个规模堪比大陆的异常结构。它们的存在已被地震波探测证实超过三十年，但它们的成因和意义始终是地球科学领域最顽固的谜题之一 。一个位于非洲大陆下方，另一个坐落于太平洋底部 ，这些被称为大型低剪切波速区的巨型地质结构 ，其高度可达数百公里，宽度延伸数千公里 ，总质量相当于月球的数倍 。它们与周围地幔物质的密度和化学成分显著不同 ，像是地球内部的异物，挑战着传统的行星分异理论。
罗格斯大学地球动力学家宫崎义则及其合作者在《自然·地球科学》发表的最新研究 ，提出了一个大胆的解释框架：这些深部异常结构不是地质活动的偶然产物 ，而是地球婴儿期——全球岩浆海洋时代——留下的化学记忆。更关键的是，它们的形成涉及地核物质向地幔的长期渗透 ，这一过程可能深刻影响了地球的冷却速率 、火山活动模式和大气层演化 ，最终决定了地球而非金星或火星成为生命摇篮的命运 。这个理论将深部地球物理学 、行星形成学和比较行星学编织成一个统一的叙事，为理解地球的独特性提供了新的维度 。
地震波揭示的深部不均匀性与岩浆海洋悖论
大型低剪切波速区和超低速带是通过地震层析成像技术发现的。当大地震产生的地震波穿越地球内部时 ，不同区域的传播速度差异可以揭示物质的温度、密度和化学组成 。大型低剪切波速区对横波的减速效应可达10% ，这是地幔尺度上最显著的速度异常 。超低速带则更为极端，通常表现为厚度仅5至40公里的薄层，但可使横波速度降低30% ，纵波速度降低10% ，暗示这些区域可能处于部分熔融状态。
这些结构的化学成分长期以来是推测性的 。早期理论认为它们是俯冲的古代洋壳堆积物，富含玄武岩成分因而密度较高 。但这种解释面临两个难题：首先 ，俯冲物质应当相对均匀地分布在核幔边界 ，而非集中在两个不对称的团块中；其次，俯冲洋壳的成分难以解释超低速带的极端速度异常和推断的高密度。另一种观点认为它们是地幔深对流产生的热柱根部 ，但热柱理论无法解释其稳定存在数亿年而位置基本不变的事实 。
地球核幔边界的奇特结构可能是早期核幔混合的遗迹 ，揭示了地球如何形成、冷却并最终变得适宜居住的新线索 。图片来源：Stock
宫崎义则团队的研究起点是一个更基本的问题：为什么地球地幔没有显示出预期的化学分层？根据行星形成理论，地球在45亿年前经历了一次或多次巨大撞击——其中最著名的是形成月球的忒伊亚撞击事件。这些灾难性碰撞释放的能量足以将整个地幔熔化 ，形成深达数百甚至上千公里的岩浆海洋 。当岩浆海洋逐渐冷却时 ，不同密度的矿物会按顺序结晶并沉降或上浮，就像分层的鸡尾酒一样 ，最终形成化学成分明显分层的地幔结构 。
但地震证据不支持这种简单的分层图景。除了大型低剪切波速区和超低速带 ，地幔在大尺度上相对均匀。宫崎义则指出，这个矛盾就是出发点，如果我们从岩浆海洋出发进行计算 ，就无法得到今天地球地幔的状况 ，肯定缺少了某些东西 。这个"缺失的某些东西"，研究团队认为就是地核本身的化学贡献 。
他们提出的核心观点是：在岩浆海洋存在的数千万到上亿年间 ，地核并非完全隔离的化学储库。金属态的地核主要由铁和镍组成 ，但也溶解有一定量的轻元素如硅 、氧 、硫、碳和氢 。随着地核冷却，这些轻元素的溶解度下降 ，开始从金属中析出 ，进入与地核接触的基底岩浆海洋 。这种"核幔化学交换"过程在地球化学中被称为"核物质外溶"，其存在已经通过高温高压实验得到证实 ，但其对地球早期演化的影响此前一直被低估。
研究团队建立的热力学模型显示 ，核物质外溶释放的硅 、镁 、氧化物会显著改变基底岩浆海洋的成分，抑制其正常的分异结晶过程 。普林斯顿大学的邓杰是这项研究的共同作者 ，他解释说 ，这项研究很好地展现了行星科学、地球动力学和矿物物理学如何结合运用，帮助我们解开地球一些最古老的谜团 。地幔深处可能仍然保留着早期核幔相互作用的化学记忆这一观点，为我们理解地球独特的演化过程开辟了新的途径。
污染的岩浆海洋如何解释现代地幔结构
插图展示了早期地球内部的剖面图 ，图中可见地核与地幔边界上方存在一层炽热的熔融层 。科学家认为 ，部分地核物质泄漏到这层熔融层中并与之混合 。随着时间的推移，这种混合作用最终形成了我们今天所见的地球地幔不均匀的结构。图片来源：宫崎义则/罗格斯大学
宫崎义则团队的模型被称为"受核外溶污染的基底岩浆海洋"理论 。在这个框架下 ，基底岩浆海洋不是简单冷却和结晶 ，而是持续受到从地核中渗出的化学物质的"污染" 。这种污染有两个关键效应：一是改变了岩浆的化学成分，使其富含铁氧化物和二氧化硅；二是改变了岩浆的密度结构 ，使部分区域变得比正常地幔物质更密集。
当这个受污染的岩浆海洋逐渐固化时 ，它不会形成均匀的层状结构，而是产生化学不均匀的斑块。最密集的部分会沉积在核幔边界上 ，形成今天观测到的大型低剪切波速区 。而未完全固化的 、富含挥发分的部分则形成超低速带的前身——一种间歇性存在的部分熔融层 。
地球动力学模拟进一步显示 ，这些高密度异常结构一旦形成，就会在地幔对流中表现出强烈的稳定性。虽然地幔整体在数亿年尺度上进行对流 ，但大型低剪切波速区由于其高密度和较高温度 ，会抵抗被周围流动撕裂或搬运的趋势 。这解释了为什么这些结构在地质时间尺度上位置相对固定，成为地幔演化中的"锚点" 。
更精细的分析揭示了这些结构与地表火山活动的联系。夏威夷 、冰岛、黄石等著名的火山热点被认为起源于地幔深部的热柱——高温岩石从核幔边界上升到地表的狭窄通道 。统计研究显示，大多数主要热点的深部根源都位于大型低剪切波速区的边缘 。这暗示这些巨型结构不仅是地质历史的遗迹 ，更是现代地球动力学的活跃参与者 ，为地幔热柱提供热源和物质来源。
研究人员还将他们的模型扩展到地球磁场的演化 。地球的磁场由外核中液态铁的对流产生，这种对流依赖于地核的持续冷却 。核物质外溶会带走地核中的热量和轻元素 ，加速地核的冷却和内核的生长。同时 ，外溶过程释放的潜热和引力能可以为地核对流提供额外的驱动力 。这种复杂的热力学反馈可能解释了为什么地球能够维持强大而稳定的磁场超过30亿年，而火星的磁场在行星历史早期就消失了 。
从比较行星学视角审视地球的特殊性
宫崎义则强调 ，这项研究的最深远意义在于它为理解行星宜居性提供了新的角度。地球 、金星和火星是太阳系中三颗岩石行星 ，它们的初始条件相似——都经历了吸积 、分异和岩浆海洋阶段——但最终命运截然不同。金星的表面温度超过450摄氏度，大气压是地球的90倍 ，主要由二氧化碳组成 。火星则失去了大部分大气层 ，表面寒冷干燥，不存在液态水 。只有地球拥有温和的气候、丰富的液态水和复杂的生命。
传统的行星宜居性研究侧重于轨道距离 、太阳辐射 、大气组成等外部因素 。但宫崎义则的团队提出 ，行星内部的演化过程可能同样关键 。他说 ，地球有水、有生命，而且大气层相对稳定，金星的大气层比地球厚100倍主要成分是二氧化碳 ，而火星的大气层则非常稀薄 ，我们并不完全了解其中的原因，但是行星内部发生的变化比如它的冷却过程、各层物质的演化或许能为解答这个问题提供重要的线索。
具体而言 ，核幔相互作用影响行星宜居性的机制可能包括多个方面 。首先是火山排放 。火山活动向大气层输送水蒸气 、二氧化碳和其他挥发性物质 ，这是维持大气层和海洋的关键过程。地球的火山活动与地幔热柱和板块俯冲密切相关，而这两者都受到深部地幔结构的影响 。如果大型低剪切波速区确实是地幔热柱的策源地 ，那么它们的形成历史就直接影响了地球的脱气历史和大气演化 。
其次是磁场保护。强大的磁场可以偏转太阳风 ，防止大气层被剥离 。火星磁场的消失被认为是其失去大气层的主要原因 。地球磁场的长期维持可能部分归功于核幔化学交换提供的额外能量。如果金星和火星的核幔相互作用不同于地球——可能由于行星大小 、核的成分或岩浆海洋的演化历史不同——它们的磁场演化就会不同，进而影响大气保留能力。
第三是构造活动 。板块构造是地球独有的特征 ，它驱动物质循环、调节大气二氧化碳浓度 、创造多样的地表环境 。板块构造的存在需要地幔具有合适的粘度和对流模式 ，而这些特性又与地幔的温度结构和化学组成有关。大型低剪切波速区及其相关的热柱活动可能影响了板块的启动和维持 。一些研究者甚至推测，非洲和太平洋下方的巨型结构可能影响了超大陆的聚合与裂解周期 ，进而影响了气候演化和生命进化 。
近期其他研究团队的工作为这些联系提供了进一步证据。发表在《自然》杂志上的一项研究表明 ，岩浆海洋的固化不可避免地在核幔边界形成富含铁氧化物的层，这与宫崎义则的核污染模型相呼应 。另一项发表在《科学进展》上的研究显示，俯冲的洋壳与原始地幔物质的混合可以解释地幔的现代结构 ，暗示地幔的化学不均匀性是长期演化而非单一事件的结果 。这些独立的研究线索正在汇聚成一个更完整的地球演化叙事。
未解之谜与未来研究方向
尽管核幔渗透假说提供了令人信服的解释框架 ，许多关键细节仍然不确定 。首先是核外溶的速率和持续时间 。从金属核中析出硅 、氧等轻元素需要特定的温度压力条件和足够的时间尺度。目前的模型基于实验室的高压实验数据，但这些实验只能模拟核幔边界条件的短暂瞬间 ，长期行为仍需依赖外推和理论推断 。
其次是大型低剪切波速区的精确成分 。虽然地震波速度提供了重要约束 ，但从速度反演化学成分存在非唯一性问题——不同的矿物组合可以产生相似的地震特征。直接采样这些深部结构显然不可能，只能通过火山喷发物中的深源包裹体间接研究。一些来自夏威夷和冰岛的岩石样品显示出异常的同位素特征,暗示其源区含有非典型的地幔成分,但这些证据仍然是零散的 。
第三是与其他行星的比较 。要验证地球内部演化与宜居性的因果关系 ，最理想的方法是比较太阳系其他行星的深部结构。但我们对金星和火星内部的了解极其有限 。金星的厚重大气使地震探测极为困难 ，迄今没有成功运行的金星地震仪 。NASA的DAVINCI+和VERITAS任务计划在2030年代探测金星，可能提供内部结构的线索。火星方面 ，InSight着陆器在2018至2022年间成功探测了火星内部 ，初步数据显示火星的核幔边界也存在异常层，但其性质和成因仍待解析 。
从方法学角度看 ，这项研究展示了多学科整合的力量 。地震学提供了观测约束 ，矿物物理学通过高温高压实验确定了物质的状态方程和相变行为，热力学模型计算了化学反应和相平衡，地球动力学模拟追踪了数十亿年的演化过程。这种综合方法是现代地球科学的标志 ，单一学科已经难以回答关于行星演化的宏大问题 。
宫崎义则对未来研究充满信心 。他说 ，即使线索很少，我们也开始构建出一个合乎逻辑的故事 ，这项研究让我们对地球的演化以及它为何如此特殊有了更确切的了解。接下来的步骤包括更精细的地震层析成像以绘制核幔边界结构的细节 ，更多的高压实验以约束核幔化学交换的动力学，以及更复杂的数值模型以追踪从岩浆海洋到现代地幔的完整演化路径 。
这项研究还突出了深空探测任务的重要性 。每一个被探测的行星或卫星都是一次自然实验,展示了不同的初始条件和演化路径如何导致不同的最终状态。木星的卫星欧罗巴和土星的卫星恩克拉多斯可能拥有地下海洋 ，它们的宜居性取决于内部热源的维持 ，而这又与核幔相互作用类似的深部过程有关。系外行星研究正在发现数千颗岩石行星，其中一些位于恒星的宜居带内 。理解地球内部如何影响表面宜居性 ，将帮助我们预测哪些系外行星最有可能支持生命 。
当我们仰望星空寻找宜居世界时 ，或许同样需要俯瞰脚下——答案可能隐藏在地球深处2900公里的黑暗边界上。那些巨大的、炽热的 、化学异常的岩石团块，不是地球演化的副产品 ，而是地球之所以为地球的原因 。它们记录了地核与地幔的对话 ，编码了早期地球的热史，塑造了火山活动的模式，或许还间接调节了大气和海洋的存在 。宫崎义则和他的同事们正在破译这些深部密码 ，每一条新的证据都让我们更清楚地看到：生命的摇篮不仅建立在合适的轨道距离和温和的阳光上 ，更建立在行星内部数十亿年精妙的化学炼金术之上。
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希望本篇文章《地球深处发现的神秘结构或许能解释为什么我们的星球能够孕育生命》能对你有所帮助！
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