地球科學：俯衝地殼的地板可能會在核心附近產生異常的特徵？
在地球表面以下近1800英裡的地方，地幔底部隱藏著巨大的奇怪結構，位於核心上方。地幔是一層厚厚的熱的，主要是塑料巖石圍繞核心; 地幔頂部是地殼的薄殼。在地質時間尺度上，地幔的行為類似於粘性液體，固體元素在其深處下沉並上升。
金剛石砧的樣品置於極端壓力下研究的金剛石砧。圖片來源：Jennifer Jackson / Caltech。
上述奇怪結構，稱為超低速區（ULVZ），最初是由加州理工學院的Don Helmberger在1995年發現的。可以通過測量它們如何改變穿過它們的地震波來研究ULVZ。但觀察不一定是理解。實際上，沒有人真正確定這些結構是什麼。
ULVZ之所以如此命名，是因為它們顯著降低了地震波的速度; 例如，它們使剪切波（能夠穿過固體的振蕩地震波）減慢多達30％。ULVZ幾英裡厚，可以數百英裡。有幾個分布在太平洋沿岸大致地下的地球核心附近。其他人聚集在北美，歐洲和非洲之下。
「ULVZ存在於地球內部如此深處，以至於它們無法直接研究，這在確定它們究竟是什麼時構成了重大挑戰，」名譽地球物理學家Smits Family教授Helmberger說。
加州理工學院的地球科學家現在表示，他們不僅知道ULVZ是由什麼製造的，而且也知道它們來自何處。在礦物物理學教授Jennifer Jackson的帶領下，研究人員利用高壓下的實驗方法發現，ULVZs由大塊的鎂/氧化鐵礦物組成，稱為magnesiowüstite，可能是從巖漿海洋中沉澱出來的，據認為它已經存在在數百萬年前的地幔底部。
ULVZ形成的另一個主要理論認為它們由熔化的材料組成，其中一些可能從核心洩漏。
傑克遜和她的同事在最近發表在「地球物理研究雜誌：固體地球」 雜誌上的一篇論文中報導了他們的工作，他們通過研究礦物的彈性（或地震）各向異性，發現了支持鎂合金理論的證據; 彈性各向異性是地震波根據其行進方向通過礦物的速度的變化。
橫截面圖顯示了地殼的板塊在地幔中下降並在超低速區域中對齊了鎂質巖石。圖片來源：加州理工學院。
ULVZ存在的區域的一個特別不尋常的特徵 - 核 - 幔邊界（CMB） - 它是高度異質的（特徵不均勻）以及各向異性的。結果，地震波穿過CMB的速度不僅基于波通過的區域而且基於這些波移動的方向而變化。事實上，傳播方向可以將波速改變三倍。
「以前，科學家解釋了各向異性是地震波穿過緻密矽酸鹽材料的結果。我們所建議的是，在某些地區，主要是由於ULVZ內的鎂合金的排列，」傑克遜說。
在地球表面經受的壓力和溫度下，鎂合金表現出很小的各向異性。然而，傑克遜和她的團隊發現，當受到與下地幔相似的壓力時，礦物變得強烈各向異性。
傑克遜和她的同事通過在鑽石砧座中放置一塊鎂質晶體來發現這一點，鑽石砧座基本上是一個位於兩顆鑽石之間的小室。當剛性金剛石彼此壓縮時，腔室內的壓力升高。傑克遜和她的同事隨後用X射線轟擊了樣品。X射線與樣本的相互作用充當地震波如何穿過材料的代理。在40千兆帕斯卡的壓力下 - 相當於下地幔的壓力 - 鎂合金巖石比ULVZ的地震觀測顯著更加各向異性。
為了創建像ULVZ一樣大且強烈各向異性的物體，只需要在一個特定方向上排列少量的鎂合金晶體，這可能是由於施加來自強大外力的壓力。傑克遜說，這可以解釋為地殼的俯衝板推向中巴。（俯衝發生在地球構造板塊之間的某些邊界處，其中一塊板塊在另一塊板塊之下潛水，引發火山活動和地震。）
「科學家們仍然在發現時，它的俯衝到會發生什麼地殼的過程衣缽，」傑克遜說。「我們的研究現在似乎支持的一種可能性是，這些板塊一直向下推到核心 - 地幔邊界，有助於塑造ULVZ。」
接下來，傑克遜計劃探索俯衝板塊，ULVZ及其地震特徵的相互作用。她說，解釋這些特徵將有助於限制地球歷史早期發生的過程。
這項研究的標題是「地球下地幔中的強烈各向異性的鎂合金」。