地球的結構通常被我們分為三層——地殼、
地幔、地核；有時，地核又會被細分為內核與外核。這種劃分並沒有什麼錯，但卻會將科學家已在地球內部確認的其他幾層遺漏在外，例如在佔地球體積84%的地幔內部還有著所謂的過渡帶……
○ 研究發現，位於410公里以下的過渡層頂部總體上是平滑的，但位於660公里以下的過渡層底部的某些地方卻比地球表面粗糙得多，有著比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更加陡峭的地形。| 圖片來源：Kyle McKernan
1. 25年前的大地震
今天的故事要從25年前說起。1994年6月9日，玻利維亞發生了一次特大的地震，這是自有記錄以來的排名第二大的深源地震——里氏震級高達8.2級。如此巨大的地震所帶來了的災難往往是毀滅性的，或許稍微值得安慰一點的是，這樣的地震並不經常發生。
但是，地震能留下一些讓科學家感興趣的信息。地震能產生地球上最強大的波——地震波，研究人員可以利用這些地震波對地球的內部進行觀測。若要對地球的更深處進行觀測，他們需要那些能讓整個地球都為之震動的最強地震波。
與過去相比，現在從事地理科學的研究人員要幸運得多——他們有著比20年前多得多的地震檢波器；而且在儀器和計算資源方面，地震學也早已不可同日而語。現代的地震學家和數據科學家可以使用強大的計算機，來模擬在地球深處的
散射波的複雜行為。2. 地下660公里處的山脈
在最近的《科學》期刊上，刊登了一項由地球科學家吳文波、倪四道和Jessica Iring共同發表的新研究，他們運用1994年的玻利維亞大地震和一些其他大地震所產生的散射波數據，發現了處於地底660公里以下的過渡層底部的山脈和其他地形！這個過渡層將上地幔和下地幔分隔了開來。目前，研究人員還沒有給這個過渡層一個正式的名稱，只是簡單地稱之為“660公里邊界”。
大地震比小地震的威力要強大得多。里氏震級每上升一級，地震能量就會增加30倍。對於深源地震來說，它們的能量不會消散在地殼之中，而是能夠傳到整個地幔中。在這項研究中，研究人員取用的所有數據都是來自於震級在7.0級以上的地震，因為由這些地震向各個方向發出的衝擊波，可以成功地穿過地核抵達地球的另一端後再返回來 。1994年的玻利維亞大地震的地震波是這次研究的關鍵數據來源。
3. 散射波
研究中所涉及的技術強烈依賴於波的一個基本特性，那就波的彎折與反彈的能力。就像光波能從鏡面反彈回來（反射），在通過稜鏡時發生彎折（折射）一樣，地震波在均質岩石中會筆直穿行，然後當遇到任何邊界或粗糙的地方時會發生反射或折射。
幾乎所有的物體都具有表面粗糙度，因此會對光線進行散射，從而讓我們可以看見這些物體。新論文的第一作者是吳文波博士，他說：“散射波攜帶著有關表面粗糙度的信息。在這項研究中，我們正是研究了在地球內部傳播的散射地震波，來確定地球660公里邊界處的粗糙度。”
這個邊界有著令人驚訝的粗糙程度！它比我們生活的地球表層還要粗糙。換句話說，在地下660公里的邊界上，有著比落基山脈或阿巴拉契亞山脈更加陡峭的地形存在。他們的統計模型無法進行精準的高度判定，但他們推測，這些山脈可能比地球表面的任何東西都大。
與地殼表面有平滑的海床又有巨大的山脈一樣，660公里邊界的粗糙度也呈不均勻的分佈，它既有高低起伏的區域也有許多平滑的區塊。研究人員對地下410公里的地幔內部過渡層的頂部也進行了考察，並沒有發現類似的粗糙度。
4. 地幔中的熱量傳播爭議
這是一項非常了不起的發現。要知道，僅通過穿過整個地球再返射回的地震波，就能在地下660公里深的邊界上發現1~3公里的高度變化是非常不容易的。他們的發現表明，隨著地震儀器變得越來越成熟複雜，科學家將有機會利用地震散射波，去探索那些更小尺度的起伏，從而揭示出更多與地球層有關的新特徵。
在660公里邊界上存在粗糙度一事，對於理解地球如何形成以及如何持續運行有著重要的意義。這個過渡層將地幔分為上下兩個部分。多年以來，這一過渡層的重要性一直是地球科學家爭論的話題。尤其是當他們在研究熱量在地幔的傳播時——到底是熾熱的岩石從地核-地幔邊界（大約在地下2890公里）被一路轉移到地幔頂部，還是熱量的轉換會在這個過渡層裡中斷。
關於這個問題，有一些地球化學和礦物學證據顯示，上地幔和下地幔的化學組成上是不同的，這種結果支持了上地幔和下地幔不會發生熱力學或物理上的混合的觀點。但還有一些觀測結果表明，上地幔和下地幔之間兵沒有化學差異，因此有一部分人提出“混合良好的地幔”的概念，也就是上地幔和下地幔會參與相同的熱傳遞循環中去。
新的發現為這個問題提供了更加深入的見解。他們的數據表明，這兩種觀點可能都沒有錯，它們都具有部分的正確性：660公里邊界上較平坦的區域可能是由於更徹底的垂直混合形成的，而較粗糙的山區可能是由於上地幔和下地幔的不混合形成的。
5. 回望遙遠的地球歷史
此外，從理論上說，研究人員在660公里邊界發現的大、中、小的不同尺度的粗糙度，可以是由熱異常或化學異質性所引起的。但是吳博士認為，熱量在地幔內部的這種傳輸方式，能使得任何小規模的熱異常都在幾百萬年內被消除乾淨。照這樣來看，只有化學差異可以用來解釋研究中發現的小尺度的粗糙度。
什麼能導致顯著的化學差異呢？曾經屬於地殼的岩石，現在靜靜地躺在地幔中……長期以來，在俯衝帶被推入地幔的海床板塊的命運一直是科學家想要知道的。現在，研究人員認為，這些板塊的殘餘物可能就在660公里邊界的頂部或底部。
地球物理學家Irving說：“考慮到我們只能探測目前傳播於地球內部的地震波，我們很容易假設地震學家無法幫助我們理解在過去的45億年裡地球內部是如何變化的。而這些結果令人興奮之處就在於，它們為我們提供了新的信息，可以幫助我們瞭解已經下沉到地幔中的古代構造板塊的命運，還有古代地幔物質仍然可能存在於什麼地方。”
她說：“地震學最令人興奮的是，它可以讓我們更好地瞭解地球內部的空間與時間。”
編譯：二宗主
參考鏈接：
https://www.princeton.edu/news/2019/02/14/massive-1994-bolivian-earthquake-reveals-mountains-660-kilometers-below-our-feet
http://science.sciencemag.org/content/363/6428/736
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