深入地幔的有效工具
我們生活在地球的地殼上，這是一層薄薄的堅硬岩石；在地球的中心是鐵鎳地核；在地殼和地核之間是地幔，這個區域并不像很多人以為的是一片熔岩的“海洋”，而是具有移動能力的堅硬的、高溫的，能夠驅動表面的闆塊構造的岩石構成的。
處于地表的我們，要如何才能知曉地幔和地核的情況呢？答案在于地震波。地震波是一種在地震發生後回蕩在地球上的波。通常，科學家會通過測量地震波抵達世界各地監測站的方式和時間，反向計算出地震波如何被地球的内部結構反射和偏轉。通過這種方式，他們可以揭示出地球的内部結構，推測出與地殼、地幔和地核有關的部分資訊。
神秘的超低速帶
在靠近地核的地方，存在着一部分超高密度的結構。這部分結構位于地幔底部，在液态金屬外核的上方，寬度可能達數百千米。在這片區域，地震波的速度減慢了50%，密度增加了1/3，被地質學家稱為超低速帶。
由不同的岩石組成的區域被稱為超低速帶，它們聚集在地球的核-幔邊界。| 圖檔來源：Edward Garnero/ASU
由于超低速帶位于地表以下近2900千米的深處（分别位于非洲和太平洋中部的深處），這使得分析這部分岩石結構變得非常困難。到目前為止，它們的起源仍然是一個謎。
最初，科學家認為這些區域的地幔存在部分融化的情況，可能是冰島等所謂“熱點”火山地區的岩漿來源。然而，大多數被稱為超低速帶的區域并不位于熱點火山之下，是以這種說法無法解釋故事的全貌。
現在，一項新的研究通過将地震資料與計算機模型相結合，驚訝地發現這些神秘的超低速帶區域的結構并不均勻，而是有着由多年累積所形成的不同材料構成的層狀結構。他們将新的發現發表在了《自然-地球科學》雜志上，這些結果對地質學家來說意義重大，因為它為了解這些超低速帶的起源故事提供新的思路。
用模型來比對地震波
在新研究中，研究人員想要探索的是另一種起源假設：構成了超低速帶區域的岩石可能與地幔其他部分的岩石不同，這些構成或許可以追溯到早期地球。更具體一點說，或許超低速帶是氧化鐵的集合，在表面來看我們看到的是鐵鏽，但它在地幔深處可能表現得像一種金屬。如果是這樣的話，地核外的氧化鐵可能會影響地核下方的地球磁場。
他們對位于澳洲和紐西蘭之間的珊瑚海下的超低速帶進行了研究。這是研究這一問題的一個理想地點，因為這裡地震頻發，會産生大量的地震波，是以可以為核-幔邊界提供高分辨率的地震圖像。但是，從數千米深處觀察到的地震波特征所提供的圖像的精确性是有限的。而且有時候，一層較厚的低速材料所發射的地震波，可能與一層較薄的低速材料所發射的一樣。
是以，研究團隊決定使用一種逆向工程法，他們建立了一個地球的理論模型，然後通過模拟計算出如果這就是地球的真實模樣，那麼地震波在通過時會是什麼樣子。他們在許多條件下對模型進行了模拟，接着把這些模拟所得的結果與在珊瑚海下實際觀測到的結果進行了比較，以評估每個模型與實際情況的比對程度。
經過數十萬次模型運作，這種方法産生了一個穩健的地球内部模型。模型表明，這些超低速帶内極有可能存在層狀的内部結構。
回到早期地球
層狀結構的存在究竟可以意味着什麼？
故事要追溯到40多億年前，大約在早期地球的岩石地殼第一次形成的時候。地表之下，較重的元素（如鐵）下沉到早期地球的核心；較輕的元素（如矽）漂浮到地幔。這時，一個火星大小的行星天體（忒伊亞，Theia）可能撞上了新生的地球。這次碰撞可能向地球軌道投擲了大量碎片，根據假說，這些碎片甚至可能導緻了後來月球的形成。
而對地球來說，關鍵的轉變在于兩顆行星的撞擊大大提高了整個地球的溫度，并在地球表面形成了一大片巨大的由熔融物質構成的“海洋”。碰撞過程中形成的各種岩石、氣體和晶體，都散落在了這片“海洋”之中。但它們不會永遠存在。
在冷卻過程中，“海洋”會自我“規劃”，緻密的物質會下沉到地幔的底部，然後較輕的物質最終在地核-地幔邊界形成了鐵和其他元素的緻密層狀結構。在接下來數十億年裡，随着地幔的攪動和對流，緻密的地幔層會分裂成更小的團塊，分散在較深的地幔上，呈現出我們今天看到的層狀超低速度帶。
非最後定論
新的研究改變了科學家對超低速帶起源的看法，為一部分超低速帶的起源提供了證據。但研究人員指出，這些結果可能無法解釋所有超低速帶的起源，因為也有其他一些現象可以解釋超低速帶的起源，比如海洋地殼融化下沉到地幔。
不過，新研究的模拟表明，忒伊亞撞擊地球假說可以可靠地解釋這些緻密的、分層的區域是如何形成的、而且如果至少有一部分超低速帶是早期地球與行星撞擊後的殘留物，那麼它們就儲存了地球的一些曆史。從這個角度看，新發現為了解地幔的初始熱和化學狀态以及它們的長期演化提供了新線索。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://attheu.utah.edu/uncategorized/chemical-leftovers/
https://www.popsci.com/science/earths-mantle-regions-explained/
https://www.livescience.com/ulvz-giant-impact-hypothesis.html
#圖檔來源：
封面圖：Tim Bertelink, CC 4.0
首圖：Argonne National Labs