玻利维亚的大地震揭示了我们脚下660公里的山脉

大多数小学生都知道地球有三层(或四层):地壳、地幔和地核，有时又细分为内核和外核。这没有错，但它确实错过了科学家在地球上发现的其他几个层次。

在本周发表在《科学》杂志上的一项研究中，普林斯顿地球物理学家杰西卡欧文和吴与中国大地测量与地球物理研究所的司道妮合作，利用玻利维亚大地震的数据寻找一楼的山脉和其他地形。向下660公里(410英里)，分离上地幔和下地幔。(由于缺乏这一层的正式名称，研究人员简称为“660公里边界”。)

为了深入地球，科学家们使用地球上最强大的波，这些波是由大地震产生的。地球科学助理教授欧文说：“你想要一场大而深的地震来震动地球。

欧文说，大地震比小地震强大得多——能量增加30倍，每一步都是里氏震级——而深地震，“与其在地壳中消耗能量，不如得到整个地幔”。她说，她从7.0级或更高的地震中获得了最好的数据，因为它们来自四面八方的冲击波可以通过地核传播到地球的另一边——然后再返回。在这项研究中，关键数据来自1994年震撼玻利维亚的8.2级地震引起的波浪，这是历史上第二大地震记录。

“这次大地震不会频繁发生，”她说。“对我们现在来说幸运的是，我们拥有比20年前更多的地震仪。地震学与20年前不同，在仪器和计算资源之间。”

地震学家和数据科学家使用强大的计算机，包括普林斯顿的老虎超级计算机集群，来模拟地球深处散射波的复杂行为。

这项技术依赖于波的基本特性：它们弯曲和反弹的能力。就像光波通过棱镜时可以从镜子反射(反射)或弯曲(折射)一样，地震波直接通过均质岩石，但遇到任何边界或粗糙度时都会被反射或折射。

“我们知道几乎所有的物体都有表面粗糙度，所以它们会散射光，”新论文的第一作者吴刚说，他刚刚完成地球科学博士学位。现在他是加州理工学院的博士后研究员。“这就是为什么我们可以看到这些物体——带有表面粗糙度信息的散射波。在这项研究中，我们研究了在地球内部传播的散射地震波，以抑制地球660公里边界的粗糙度。”

研究人员对这个边界的粗糙度感到惊讶——它比我们生活的表层更粗糙。“换句话说，比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更坚固的地形位于660公里的边界，”吴硕说。他们的统计模型无法精确确定高度，但这些山脉可能比地球表面的任何东西都大。粗糙度分布也不均匀；就像地壳表面有光滑的海底和山脉一样，这660公里的边界也有粗糙的区域和光滑的斑块。研究人员还检查了中地幔“过渡带”顶部410公里(255英里)的层，他们没有发现类似的粗糙度。

“他们发现地球的深层和我们在地表观察到的一样复杂，”地震学家克里斯汀豪斯说，她是东京理工大学的助理教授，没有参与这项研究。“通过使用穿过整个地球并返回的波浪，在400英里(660公里)深的边界上发现2英里(1-3公里)的海拔变化，这是一个鼓舞人心的壮举.他们的研究结果表明，当地震发生时，地震仪器变得更加复杂，并扩展到新的领域，我们将继续探测新的小尺度信号，揭示地球层的新特征。”

这是什么意思？

660公里边界上的粗糙度对于理解我们的星球是如何形成并继续运行的具有重要意义。这层将占地球体积约84%的地幔分为上半部分和下半部分。多年来，地球科学家一直在争论边界的重要性。特别是，他们研究了热量是如何穿过地幔的——热岩石是否从地核-地幔边界(向下近2000英里)延伸到地幔顶部，或者传递是否在这层。一些地球化学和矿物学证据表明上地幔和下地幔在化学上是不同的，这支持了这两部分不会热混合或物理混合的观点。

“我们的研究结果为这个问题提供了见解，”吴硕说。他们的数据显示，这两组可能是部分正确的。60公里边界的平坦区域可能是由于更彻底的垂直混合造成的，而更粗糙的山区可能形成上地幔和下地幔不会混合的地方。

此外，研究人员发现的粗糙、中小尺度粗糙度理论上可能是由热异常或化学非均匀性引起的。然而，由于热量在地幔中传输，吴解释说，任何小规模的热异常都将在一百万年内被消除。这只能留下化学差异来解释他们发现的小尺度粗糙度。

什么可能导致显著的化学差异？曾经属于地壳的岩石的引入现在正在地幔中安静地休息。长期以来，科学家们一直在讨论海底板块的命运，它们在俯冲带被推入地幔，并在太平洋和世界其他地方相撞。吴和欧文认为，这些板块的残余现在可能就在660公里的边界之上或之下。

“这很容易假设，因为我们只能检查

测当前状态下穿过地球的地震波，地震学家无法理解地球内部在过去45亿年中的变化，”欧文说。“这些结果令人兴奋的是，它们为我们提供了新的信息，以便了解古代构造板块的命运，这些板块已经下降到地幔中，并且古代地幔物质可能仍然存在。”

她补充说：“当地震学让我们在空间和时间上更好地了解我们星球的内部时，地震学是最令人兴奋的。”