全球研究揭示古代板块构造引起地幔变形

研究人员首次在行星尺度上绘制了地球深层地幔如何经历数百万年前下沉的构造板块引起的变形的图。对 24 个数据中心收集的超过 1600 万张地震图的分析揭示了下地幔约三分之二的地震各向异性模式，该层位于地核上方约 2,900 公里深。这些结果证实了长期以来的理论，并提供了关于这些深层结构如何使地球内部变形的第一个全球观测证据。

前所未有的地球下地幔测绘

由加州大学伯克利分校研究人员领导的团队编制了有史以来最大的地震数据集之一。这项工作检查了大约 75% 的下地幔，分析了地震产生的地震波的多个阶段，这些地震波沿着地幔传播，穿过地核并返回地表。这种方法使得绘制数百公里距离内变形的分布图成为可能，从而提供了前所未有的地球内部视图。

根据材料的方向和特性，剪切波以不同的速度传播。这种方向变化称为地震各向异性，是地幔数百万年来累积变形的直接指标。该研究发表在与美国地震学会相关的《地震记录》杂志上，巩固了现代地球物理学的一个重要里程碑。

收集的数据和确定的模式

• 分析的地震图总量：超过 1600 万条记录
• 下地幔覆盖范围：几乎 75% 的研究区域
• 检测到各向异性：大约三分之二的分析区域
• 涉及数据中心：全球24个机构
• 下地幔深度：约2,900公里

变形模式在与古代俯冲构造板块（沉入地球内部的板块）相关的区域最为明显。这些特定区域的各向异性集中表明地表板块运动与深部地幔变形之间存在直接联系。地球动力学模型已经预测了这种关系，但新的测绘首次基于全球地震观测提供了确认。

俯冲板块和地幔转变

当构造板块下降到地球内部时，它们会携带靠近地表时形成的结构。随着时间的推移，极端的热量和残酷的压力会改变矿物质并在材料中产生新的方向。这一过程不仅改变了板块本身，还推动并重塑了板块周围的地幔，从而产生了研究人员观察到的各向异性。

该研究的主要作者乔纳森·沃尔夫（Jonathan Wolf）解释说，人们已经很好地理解了上地幔的变形是由移动板块的拉力造成的。然而，在下地幔中，却缺乏类似的大规模认识。这项工作在这个方向上取得了重大进展，提供了将表面板块的行为与地球深层过程联系起来的观测证据。

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深度变形背后的机制

科学家们考虑了两个主要假设来解释检测到的各向异性。第一个表明板块保留了其表面相的化石各向异性，保持了过去的结构记忆。研究人员认为更有可能的是第二个，它指出了板块下沉及其与核幔边界接触过程中的剧烈变形。这个过程改变了矿物结构并产生了新的各向异性结构。

并非所有没有明显各向异性信号的区域都必然没有变形。在某些情况下，信号可能太弱，当前的方法无法检测到。研究人员强调，该数据集仍然是未来寻求更高分辨率和地幔过程细节的研究的宝贵来源。

对陆地动力学的影响

地幔通过与板块运动密切相关的对流缓慢循环。这些洋流不仅使地表板块发生位移，而且还在行星尺度上拉伸和扭曲了地幔物质本身。该研究证实了长期存在的理论，并提供了观测证据，加强了对地球长期动态的理解。

更好地了解这些深层过程有助于我们了解变形如何影响地球内部数百万年来的热和化学行为。使用同一数据集进行的其他研究可能会揭示有关地幔流动模式及其与板块构造关系的更多细节。这项工作强调了全球地震数据库对于地球物理学持续进步和了解地球的重要性。