地震学家测量了从地球液核到下地幔的热流
科学家们已经直接测量了从地核液体金属到地幔底部区域的热流量,该过程有助于驱动浅部板块的运动和产生地球磁场的地球发电机(Geodynamo)。
地核和地幔的分界线位于地球半径的一半处,即在1,740 英里(2,900 公里)深处。地质学家通过研究其对地震波产生的影响,能够探测该区域的结构。最近发表于《Science》杂志上的研究指出,新的温度测量是通过关联地震观测与最近发现的矿物转换获得的,该矿物转换发生于核—幔边界附近的超高压和超高温度条件。
论文第一作者即加利福尼亚大学地球与行星科学系Thorne Lay 教授认为,这是首次拥有“温度计”,它能告诉我们地球深处的温度。如果我们的解释是正确的,那么它给我们提供了两种不同深度处正确的温度,因此我们不仅得到了绝对温度,还得到了温度随深度变化的变率,类似于相关关系。该温度梯度给我们提供了从地核流出进入地幔底部区域的热流量。当热从外核流入地幔时,推动了地幔和地核中的重要过程。地幔是一个围绕致密的、主要为铁的地核的厚硅酸盐层。地球外核是熔融的流体,它围绕着一个大约有月球那么大的内核。外核流体的冷却导致了能产生电流的液体金属中流体的运移,产生了地磁场。
在地幔底部加热的同时,也驱动了热的地幔物质上涌,该物质可以上升到地表形成火山,有助于板块的缓慢漂移。这些板块由薄的岩石圈地壳和坚硬的顶部地幔组成。它们飘浮于固态的深部地幔之 Lay 教授的合作者包括巴黎地球物理学院的John Hernlund、亚利桑那州立大学的Edward Garnero 和阿拉斯加费尔班克斯大学的Michael Thorne。他们应用创新方法分析地震信号,利用一个巨型计算机处理大量的高品质地震数据,远远超过了以前对局部区域的分析。分析在北极圈巨型计算中心进行,需要72,000 个机时,建立了非常详细的太平洋中心区域下面深部地幔的地震速度模型。
他们的研究同样主要依赖于矿物物理学的实验研究。在地球深部极端的压力和温度条件下,矿物被压成从外表看不见的晶体结构,只在一些专门的矿物物理实验室可观察到。如果科学家拿普通的矿物橄榄石,模拟地球深部的超高压和超高温条件,橄榄石将经历相变,包括其晶体结构突然的重组。这些相变改变了矿物的地震属性即地震波在该矿物中传播的速度,从而能使地震学家探测到发生于地球深部相变的位置。转换带深度的研究给研究者提供了压9力,并且通过基于实验室的校准可以获得温度,因为相变发生区域压力对温度的依从关系。
Lay 教授认为,如果我们检测到地幔地震属性的一个突变,我们就能联想到矿物中的相变,我们就能利用实验校准得到它的热度。但直到两年前,我们从来没有获得有关下地幔的这类信息。在2004 年,日本研究人员在实验室研究中发现了高压矿物的一个新形态,称之为后钙钛矿(postperovskite),它很可能就出现在下地幔。Lay 和他的合作者发现了发生于核幔边界附近下地幔处从先前的钙钛矿到后钙钛矿的相变。此外,他们观察到随深度的增加,矿物的出现和而后的消失形成了一个层或后钙钛矿透镜体。
Lay 认为,转变为钙钛矿的原因是地核上部温度的迅速升高,如此快速的温度变化使高压变得不稳定。我们同样也认识到,如果拥有一个预期的温度的横向升高,那么当横向移动到最终变薄到消失时,该层变薄了。研究上,但其可塑性足够使其缓慢流动,它们的运动引发了地震,且逐渐地改变了大陆的位置。Lay 教授认为,热流是一个“圣杯”,因为它告诉我们有多少能量驱动地球发电机,有多少地幔正在被从底部加热。我们所利用的这种方法是目前获取该信息最直接的方法。者怀疑,热的地幔物质的上涌可以发生在后钙钛矿透镜体的边缘。他们探测到了夏威夷东南部下地幔的透镜体以前对该区的研究揭示,存在一个来自核幔边界的上涌的热地幔柱,可能导致了夏威夷火山岛链。
透镜体上部边缘的温度约为2,500 开氏度(4,000 华氏度),该处发生了从钙钛矿到后钙钛矿的相变。在其下部边界的温度为3,500 开氏度(5,800 华氏度),该处发生相反的相变。这两种观点从其计算的热流给研究者提供了温度梯度:大约为每平方米80 百万瓦特。Lay 教授认为,它们是在地幔的一个相对热的区域,而冷的区域将会有一个很高的热流,因此这就有可能处于整个热流穿过核幔边界的下限。在书本上读到的数据大概只是三分之一。如此高的热流支持一个观点,认为来自核幔边界附近的地幔物质上涌形成的热柱非常有助于地幔对流,该地幔物质缓慢的翻转流动带动了表面板块的运动,同时也揭示固态内核可能相对年轻些。
地核为了有大量的热一直释放出来,那么它必须在过去就储集了适当的热,随着核的冷却,它在从其内部慢慢地凝固,内核的年龄可能只有十亿年。这些推论是没有很好的约束的,但令人惊奇的是能够从探测的地震反射到长期的观察中发现整个系统的动态机制,这也是深部地幔过程地震学、矿物物理学和热动力学模型中一个值得注意的问题。该研究由美国自然科学基金地球探测和地球物理计划资助。研究中分析的高品质地震数据,部分由位于美国西部的作为NSF 地球探测和地球物理计划的数百个新地震台站提供。