研究利用560公里深的地震对地球各层进行难以捉摸的测量

芝加哥大学科学家的一项新研究表明，在上地幔的最底部，可能有一层令人惊讶的流体岩石环绕地球。

这一发现是通过测量斐济附近太平洋发生深地震后岛屿上GPS传感器记录的挥之不去的运动得出的。该研究于2月22日发表在《自然》杂志上，展示了一种测量地幔流动性的新方法。

“尽管地幔构成了地球的最大部分，但我们对它仍有很多了解，”芝加哥大学地球物理学家、该研究的主要作者SunyoungPark说。“我们认为，通过使用这些深地震作为探索这些问题的一种方式，我们可以学到更多东西。”

地幔之谜

我们对脚下的地球知之甚少。在不断增加的热量真正熔化钻头之前，任何人设法向下挖掘的最远距离大约是七英里半。因此，科学家们不得不使用地震波如何移动等线索来推断构成地球的不同层，包括地壳、地幔和地核。

阻碍科学家的一件事是精确测量地幔层的粘性。地幔是地壳下面的一层。它由岩石构成，但在那个深度的高温和高压下，岩石实际上变得粘稠——像蜂蜜或焦油一样流动非常缓慢。

“我们想知道地幔流动的确切速度有多快，因为这会影响整个地球的演化——它会影响地球保留多少热量多长时间，以及地球物质如何随时间循环，”帕克解释道。“但我们目前的理解非常有限，包括很多假设。”

帕克认为可能有一种独特的方法可以通过研究极深地震的余波来测量地幔的特性。

我们在新闻中听到的大多数地震都比较浅，起源于地球的顶部地壳。但偶尔也会发生起源于地球深处的地震——深达地表以下450英里。这些地震不像浅层地震那样得到充分研究，因为它们对人类住区的破坏性较小。但是因为他们深入地幔，帕克认为他们可能提供一种了解地幔行为的方法。

帕克和她的同事研究了2018年斐济海岸发生的一次此类地震。地震震级为8.2级，但地震深度如此之深——350英里(560公里)以下——没有造成任何重大破坏或死亡人数。

然而，当科学家们仔细分析附近几个岛屿上的GPS传感器的数据时，他们发现地球还在继续运动——在地震结束后。

数据显示，在地震发生后的几个月里，地球仍在运动，在扰动之后稳定下来。即使多年后，汤加仍在以每年约1厘米的速度缓慢下降。

“你可以把它想象成一罐蜂蜜，当你用勺子蘸它进去后，它会慢慢恢复到水平——只不过这需要几年而不是几分钟，”帕克说。

这是对深震后变形的第一次实实在在的观察;这种现象以前曾在浅层地震中观察到，但专家们认为这种影响太小，无法在深层地震中观察到。

帕克和她的同事们利用这一观察来推断地幔的粘度。

通过研究地球随时间的变形情况，他们发现了位于上地幔层底部的一层厚约50英里的证据，该层的粘性低于地幔的其余部分(即“更流动”)。他们认为这一层可能会延伸到整个地球。

这个低粘度层可以解释地震学家的一些其他观察结果，这些观察结果表明在上地幔底部的相同深度附近存在移动不多的“停滞”岩石板。“很难用模型重现这些特征，但这项研究中发现的薄弱层使得这样做更容易，”Park说。

它还对地球如何随着时间的推移在地壳、地核和地幔之间传输热量、循环和混合物质产生影响。

“我们真的很兴奋，”帕克说。“使用这项技术还有很多东西需要了解。”

该论文的其他共同作者是加州理工学院的Jean-PhilippeAvouac和ZhongwenZhan以及意大利国家地球物理和火山学研究所的AdrianoGualandi。