本報記者 陸成寬
照片來源：視覺中國
「上天入地」是人類的夢想。不久之前，嫦娥四號已經在月球背面著陸，探索深空的奧妙；而地球科學工作者也一直致力於揭示地球內部的秘密。
近日，中國科學院測量與地球物理研究所倪四道等研究人員經過長期研究，發現了地幔混合對流的重要證據，為揭示地球深部秘密提供了新線索。
不斷「進化」的地幔對流模式
上地幔下沉併到達地幔深處，下地幔熱註上湧到達地表
基於地震波在地球內部傳播速度的變化，地球固體表面以下劃分為地殼、地幔和地核三個圈層。如果把它們比作溏心的雞蛋，那麼地幔就是固體的蛋白部分。地幔的厚度達2800多千米，其質量約佔地球總質量的67%。根據地震波波速的變化，又可把地幔分為上地幔和下地幔兩層，地幔在大約410千米、660千米的深度有兩個界面，410千米以淺的部分是上地幔，660千米以深的部分為下地幔，410千米與660千米之間的部分稱為地幔過渡帶。
眾所周知，地球存在板塊運動。「板塊運動是地幔運動在地表的表現形式。因地幔對流是板塊運動的主要驅動機制，科學家們一般又稱板塊運動為地幔對流。」中國科學技術大學地球和空間科學學院地球動力學專家冷偉教授告訴科技日報記者，地幔對流的下邊界是核幔邊界，深度在2900千米左右，由於地核比地幔熱很多，這相當於下地幔坐落於火爐之上，因此不斷會有熱柱上湧。
地幔對流有兩種表現形式：一種是上地幔的冷板塊下沉插入地幔，併到達地幔深處；另一種是下地幔的熱柱上湧到達地表。「但是，一直以來，地幔對流模式都存在爭議。」冷偉說。
最初，地球化學家認為地幔對流只發生在上地幔。他們發現地表的觀測結果顯示下地幔中保留有幾十億年前原始地幔的殘留物質，這就說明至少部分下地幔並沒有參與全地幔對流，即使參與地幔對流，也只是在下地幔內部進行。
上世紀90年代末，更多的證據表明，地幔對流不只存在於上地幔。科學家基本確認，俯衝的板塊肯定能進入下地幔，相應的，地幔熱柱也可以穿過地幔過渡帶到達地表。「全地幔對流肯定存在，也被科學家廣泛接受。」冷偉說。
然而，這就很難解釋地球化學家的疑問，為什麼下地幔中會保留有原始地幔的殘留物質？
為了解決這個問題，地幔對流模式又進一步往前，演化出了地幔混合對流模式。新的模式認為，雖然俯衝板塊可以穿過地幔過渡帶進入下地幔，地幔熱柱也可以從下地幔穿過地幔過渡帶進入上地幔，但是這種穿過只在局部發生，也就是說有的地方是全地幔對流，有的地方上下地幔之間可能還有比較強的阻隔，並沒有發生對流。
地幔間斷面存在小尺度起伏
有些區域地幔分層對流、有些區域上下地幔整體對流
倪四道等人的研究為地幔混合對流模式提供了新證據。他們首次發現了非對稱路徑660千米間斷面散射波震相，揭示了地幔660千米間斷面的小尺度起伏特徵。這一發現難以用全地幔對流或上下地幔分層對流模式解釋，而支持地幔混合對流模式，即有些區域地幔分層對流、有些區域上下地幔整體對流。
「當地震波遇到比較光滑的界面時，會發生反射現象，且反射後的地震波沿著與入射波對稱的方向傳播，這就像一束光照到鏡面上會往特定方向反射一樣。」倪四道告訴記者，但是當界面比較粗糙時，地震波則可能沿著各個不同的方向反射，這被稱為漫反射或者散射，此時入射波和散射波不再保持對稱的關係。
「非對稱路徑660千米間斷面散射波震相」是一種地震波在660千米界面上的散射波，它表明660千米界面存在一定粗糙度。「在我們的研究中，沒有觀測到410千米界面的散射波，而是觀測到了660千米界面的散射波，因此我們認為410千米界面比較光滑，660千米界面比較粗糙，也就是存在小尺度起伏。」倪四道說。
事實上，如果上下地幔物質均一，就不太容易出現這種起伏。如果出現起伏說明上下地幔之間可能存在化學界面。因此，研究人員提出410千米界面主要成因在於相變，660千米界面的成因則不完全為相變面，在一些區域還應該是化學界面，而其他區域化學分層不明顯，存在化學界面就說明存在上下地幔整體對流。毫無疑問，這項研究成果支持了地幔混合對流模式。國際著名學者克裡斯廷·豪澤（Christine Houser）在《科學》觀點欄目撰文評價說：「這項研究成果可以幫助回答地球演化的根本性問題。」
「殺手」地震是個千裡眼
地幔內部的元素分布、化學異常體結構等仍存爭議
地幔對流到底是怎樣運動起來的？運動的原因是什麼？運動的結果是什麼？科學家在回答這些問題時，會用到哪些方法呢？
對此，冷偉表示，研究這些問題，我們需要用到數值模擬的方法，通過數值模型使用高性能計算機來模擬地球內部的運動是什麼樣子。但是，這些模擬最終都需要通過各種觀測來證實，也就是檢驗模型是否能解釋地球內部運動的實際狀況。
地震學也是研究地幔對流常用的方法。通過地震波我們既可以看到俯衝板塊向下運動所到達的位置、如何穿過界面、到達核幔邊界堆積的形態是什麼樣，也可以看到地幔熱柱起源於哪兒、上升的形態是什麼樣等等。地震學是一種直接觀測形態的方法。
此外，還有一種方法是化學地球動力學，也就是通過追蹤地表元素遷移，來推測地球內部的運動。「這三種方法中，數值模擬方法是目前運用最多的方法。」冷偉說。
倪四道也表示，研究地幔對流的方法有多種，包括地球動力學數值模擬、實驗室物理模擬、高溫高壓實驗測量礦物巖石的流變性質、地震波成像、地球化學分析、大地測量學的大地水準面與重力場分析等。其中，地震學在研究地幔中發揮著極為重要的作用，地震波具有穿透全球的優勢，可以對地幔進行成像，探測地幔的縱向和橫向的不均勻性。
目前，地震學研究表明，上地幔高度複雜，下地幔相對簡單，但下地幔的底部也非常複雜。地幔在各個尺度上均具有複雜性。俯衝板塊可以穿過地幔過渡帶進入下地幔，地幔熱柱也可以從下地幔穿過地幔過渡帶進入上地幔，地震學者們基本取得了一致意見。但是，在具體的元素分布、內部化學異常體的結構與形成等問題上還存在爭議，需要進一步研究。