在穿过地球内部的地震波揭示了具有独特物理特性，规模如同大陆的区域。研究人员正在探究这些区域是什么、它们是如何形成的，以及它们在地球内部动态对流中所扮演的角色。
剪切波的异常低速轮廓凸显了地球下地幔中的大型低速体
在我们脚下大约3000公里的深处，接近地球中心的一半位置，是固体岩石地幔和外核（主要由液态铁构成）之间的边界。小学课本通常会把地球内部描绘成由地壳、地幔、外核和内核组成的简单、色彩鲜艳的同心球层结构。然而，近期的研究极大地改变了这种简单化的观点，它们揭示出地幔底部、核幔边界顶部存在两个巨大的异常结构。这两个异常结构分布在地球几乎相对的两侧：一个位于太平洋洋底之下，另一个则位于非洲西部及大西洋部分地区的下方。
这两个结构体的规模堪比大型大陆，部分区域垂直延伸到地幔之中，深度超过1000公里。这些巨大的地貌被称为大型低速体（LLVPs），其主要特征是地震波——包括剪切波和压缩波（通常分别称为S波和P波）——在穿过它们时速度显著降低。地震波的传播速度取决于所穿过介质的组成和温度。例如，加热岩石会减缓地震波的速度，而冷却岩石则会使地震波速度加快。因此，地震波速度变化分布图（图1）可以用于推测地球内部的性质。
图1 地震波速度扰动可用于识别地球内部温度和成分的变化。地震层析成像利用全球各地地震产生的地震波绘制出三维地图，以展示剪切波（S波）和压缩波（P波）的速度与一维参考速度模型预测值的差异——在一维参考速度模型中，速度仅随深度变化。此处展示的是地幔最底端100公里处的S波和P波扰动图。黑实线勾勒出的大型低速体约覆盖了核幔边界表面积的30%
地球内部深处的地震图像是逐步揭示其特征的基础。通过详细研究穿过地球的振动，科学家得以不断加深对地球内部性质的认识。地震研究使学者对诸多现象有了更深入的理解，包括内部对流、地幔柱、俯冲到下地幔的构造板块的命运、行星的地球化学循环、从地核流向地幔并产生磁场的热量、地球的演化，甚至是超大陆旋回等。
通过研究深入地幔的地震波，研究人员观察到大型低速体的边缘在地震学视角上是“陡峭”的——也就是说，地震波从周围地幔岩石传播到大型低速体时的速度减慢发生在相对较短的横向距离内。这种现象似乎与单纯的热效应解释不相符，因为如果大型低速体仅由热效应引起，从周围下地幔到大型低速体的波速过渡应更为平缓。因此，目前对大型低速体成因的解释大多集中在其物质成分上，认为该区域的物质成分与周围的下地幔岩石不同，因而产生的波速要低得多。
缓慢的发现历程
大型低速体的发现并非一蹴而就，而是全球研究人员经过数十年的研究逐步揭示的成果。最早期的研究使用了一种被称为地震层析成像的方法，这种方法与医学断层成像类似，利用穿过目标介质（即地球地幔）多达数百万次的地震波描绘地球的内部结构。层析成像揭示了地震波在极大范围内速度降低的证据（例如，波速在大约1万公里范围内的平滑变化），这导致研究人员起初认为这些区域的岩石温度可能更高。今天，研究人员仍在通过层析成像不断了解地幔深处非均质性的细节，完善对其的认识。
大约20年前，地震学家在研究穿过地幔最深处的能量脉冲时，发现地震波形中存在一个额外的“凸起”，这是由地震波在大型低速体陡峭边缘两侧的运动产生的。这一“凸起”的波形首次暗示大型低速体与周围的地幔构成不同。这一发现还表明，构成大型低速体的物质密度必然高于其取代的典型地幔岩石，否则，它们就会被地幔对流卷走、冲向上方。
密度取决于温度和成分。一些密度较大的岩石（例如含铁量较高的岩石）可能会降低穿过自身的地震波波速，因为波速同时受到密度和材料强度的影响。大型低速体长期稳定地存在于炽热地核上方的位置，它们的高温本应使它们密度变低。但大型低速体的物质构成带来的密度上升可能超过了高温导致的密度降低。目前，大型低速体的密度仍是一个活跃的研究领域。
从地面望远镜到哈勃和詹姆斯 · 韦布空间望远镜，技术的进步使得遥远星系的图像变得更为清晰；与之类似，地震成像技术的改进也使地球内部的细节变得更加分明。全球各地不断增长的地震传感器数量极大地促进了这一技术的进步。地震成像和用于人体的超声波及核磁共振成像技术一样，分布均匀的传感器记录的交错能量密度越大，成像能力就越强。计算工具的改进也推动了地震成像技术的发展。
目前的地震成像表明，正如大型大陆的海岸线具有特定形状和不同细节一样，大型低速体也呈现出错综复杂、凹凸不平的三维形态，与早期成像中显示的平滑结构有着显著的差异。例如，非洲大型低速体在地幔中延伸得比太平洋大型低速体更远、更高。这表明，两个异常区域在密度结构甚至化学组成上可能存在差异。
大型低速体周围的对流强度也可能不同。地幔深处的对流强度主要受俯冲作用控制，也就是构造板块在变得足够冷且密度足够大时下沉到地球内部的过程。当板块落入地幔时，与俯冲相关的下沉流随构造板块的运动速度、位置和密度而有所变化。
大型低速体的形状与周围的动态地幔密切相关。在当代建模能力的加持下，可以看到地震图像中大型低速体的特征变得越来越精细。然而，由于全球地震仪和地震分布不均，造成内部取样的不均匀，因此成像仍然存在局限性。
从大型低速体中了解更多
随着大型低速体地震成像技术的不断改进，学者愈发认识到它们在人类理解地球45亿年历史中的动力学和矿物学性质时的重要性。在最早期的大型低速体成像中，低分辨率的平滑结构被认为完全是大规模地幔对流引起的温度变化导致的结果。地幔中的对流就像一锅沸水中的对流：冷物质下沉，热物质上升。然而，地幔主要由固体岩石组成，因此对流极为缓慢，通常发生在数百万年的时间尺度上。
当构造板块（通常简称为“板块”）从地表经由俯冲带下沉到地球内部时，其周围的地幔会被向下拉动（图2）。一旦这些板块到达地幔底部，它们就会沿核幔边界横向对流，向温暖的上涌区域移动。这些较暖的区域被认为是炙热地幔柱的发源处，而地幔柱会穿过整个地幔上升，导致大型低速体上方（如夏威夷）发生热点火山活动。20世纪80年代和90年代的层析成像中发现了地震波速度降低的现象，为大型低速体生成热地幔柱的模型提供了支持。
图2 两个大陆规模的大型低速体坐落于地球动态内部的下地幔中。大型低速体结构在某些区域延伸到了核幔边界（CMB）上方约1200公里处，并且其成分很可能与周围的地幔岩石不同。塑造这些异常区域的对流力并不均匀，与俯冲板块引发的地幔流有关——这些俯冲板块曾经是海洋区域的构造板块。根据测绘，地幔柱起源于大型低速体边缘附近。地幔柱引发了热点火山活动。在大型低速体附近还发现了一些可能部分熔融的薄异常结构，被称为超低速区（ULVZ）
然而，自人们从21世纪初探测到大型低速体的陡峭边界以来，关于其组成物质的主流假说就从单纯的热差异导致转变为在热力和成分上均有别于周围地幔的模型。这一假说对揭示地幔的动态行为和成分具有重要意义，至今仍是主流观点。
如果地幔底部存在任何成分不同的物质，它们也会受到地幔对流作用的影响，被卷向对流上涌区域。如果这些物质的密度高于周围地幔，它们会停滞在上涌流的下方，形成物质堆积。过去1.2亿年的地幔对流热化学模拟结果与这些化学堆积位置的地震学发现结果相一致。因此，长期存在、化学成分独特的大型低速体可能包含着地球早期历史的化学特征。
由于对流会将这些堆积物中的少量物质卷入地幔柱，堆积物可能会被逐渐侵蚀。地幔柱将这些物质中的一部分输送到地表，在热点火山喷发中以微量元素同位素异常的形式显现。事实上，热点火山的位置以及地球上最大火山喷发的初始位置（这造成了巨量的火成岩堆积）大多覆盖了大型低速体的边缘。这些位置与大型低速体边缘上升的地幔柱的地球动力对流模型预测是一致的。成分不同于地幔的大型低速体还会改变从地核流向地幔的热流模式，从而影响液态外核中的对流，而这些对流会生成地球的磁场。
尽管现代的地震成像技术已经回答了许多有关大型低速体的问题，但随着新图像的出现，更多问题也随之而来。例如，人们发现，大型低速体顶部可能延伸出宽阔的大规模上涌流。这些上涌流在过去的文献中被称为“超级地幔柱”；然而，层析成像仅仅提供了异常地震波速模式的时间快照，要评估物质是上升、下沉还是处于中性浮力状态，还需要对流实验。
另一种有趣的可能性与超大陆旋回有关。超大陆旋回指的是诸如盘古大陆这样的超大陆在数亿年间反复聚合和分离的现象。地幔对流模型显示，在超大陆旋回期间，成分不同于地幔的大型低速体会在超大陆的对侧合并，并在超大陆分离时变回两块位于地球对侧的堆积。
向上平流的大型低速体碎片是否最终形成了地表的大规模火成岩堆积？两座大型低速体是否由相同的物质构成？大型低速体是否会随着时间的推移沿核幔边界迁移？这些问题仍是当前研究的热点。
来自地球还是地外？
如果一个对流系统因成分或温度效应产生了足够大的密度扰动，那么异常结构既可能存在于顶部，也可能存在于底部——浮力较大的物质在顶部，密度较高的物质在底部。这些物质会随着时间的推移与背景物质混合到一起。 因此，对于成分不同于地幔的大型低速体的起源，有两种假设，一种是它们随着时间的推移从致密物质的积累中缓慢生长，另一种是它们在地球形成时或形成后不久迅速成形。
地球早期，岩浆海逐渐冷凝结晶形成地幔的过程可能促进了大型低速体的形成：密度较大的矿物会首先结晶并下沉到地幔底部，它们可能在那里经历了后续的化学变化。
有关大型低速体是缓慢形成的致密结构这一假设，人们多年以来也提出了几种可能性。其中之一是，它们由含铁量较高、密度较大、原本是海洋地壳的俯冲板块在地质时间尺度上逐渐积累而成。最外层的地核也可能通过跨越核幔边界的化学交换过程，促成地幔最深处的异常物质形成。例如，最近的一项研究表明，在海洋地壳俯冲到核幔边界后，其中储存的氢可以与地核中的碳进行交换。这一过程所发生的体积范围可能比大型低速体小得多，但它可以解释一些名为超低速区的小规模地貌的起源，这些超低速区同样位于核幔边界上方，地震波在穿过它们时呈现出极低的速度。
根据推测，在地球历史的早期，即太阳系形成后不久，一颗火星大小的行星“忒伊亚”（Theia）与原始地球发生碰撞，形成了月球。因此，月球可能同时包含来自地球和忒伊亚的物质。而由于月球的体积仅占假设中忒伊亚体积的很小一部分，“忒伊亚的其余部分去了哪里？”这一问题就为地球上大型低速体的起源提供了一种有趣的可能性。科学家提出了一个假设：地球上那巨大的下地幔异常结构可能是致密的忒伊亚残留物，换句话说，大型低速体可能起源于地外。如果在太阳系早期阶段，行星碰撞是常见现象，那么考虑撞击体的残余物是否也存在于其他行星中无疑是一个有趣的问题。
改进我们的地震成像技术
尽管我们如今已经了解了大型低速体的大尺度形状，但要进一步聚焦于其精细结构仍然面临挑战。我们正在利用地震波对地表以下深达3000公里处的巨大结构进行成像，而这些地震波对地球内部的采样并不完美。地震层析成像通过这些波来描绘地幔中波速非均质性的图像。它和医学断层成像（如CT/CAT扫描）使用了相同的方法，但存在几个关键差异。首先，医学断层成像中的能量源位置和记录位置是可控的。其次，可以根据需要对能量进行冗余管理。
在深层地球成像中，作为能量源的地震分布极不均匀。此外，地震传感器主要分布在陆地上，并且间距不规则，部分大陆分布的仪器非常稀少。因此，地震成像的效果因地理位置而异。话虽如此，不同研究团队得出的大型低速体模型仍然相当一致，尤其是在较长尺度的特征上（1000公里或以上）。然而，在包括大型低速体的具体属性和超低速区等小尺度特征（小于1000公里）上，各个模型之间存在差异，这可能是由于使用的数据量、数据类型以及成像方法的不同造成的。
通过在全球范围内，特别是在海洋和仪器稀少的大陆地区增加地震传感器的分布，可以使不同层析成像所得出的精细结构更为一致。同时，整合一些成像时较少使用但具有多次反射特性的地震波（图3）也可以进一步提高成像覆盖率，而无须投入大量时间、人力和资金以部署更多传感器。
图3 由地球表面底部（左）和核幔边界（右）折射和反射形成的地震波回波，为地幔下半部提供了额外的采样，大型低速体就位于此处。成像采用的是地震（星）和接收器位置之间的S波，以其射线路径显示。地震学家通常分析的射线路径包括直接S波、衍射S波、在地震和接收器之间反射一次的S波以及在核幔边界上反射一次及两次的S波。具有更多反射次数的波并不常用 ,但在数据中也存在。测量所有可用的S波和P波能够改进深层地球的层析成像
地震是地幔地震成像的主要能量来源。每年大约发生140～150次6级或更大的地震，每一次都可以用于地幔深处的地震成像研究。数以千计的地震传感器提供了开放获取的数据，每次地震都有多达几十种独特地震波可以测量：这些波会从地表底侧和核幔边界多次反射（图3）。这其中的许多波并非用于常规层析成像，但完全可以被纳入分析。
可用于地球成像的信息量正在持续增长，目前，我们已完成了数百万次地球测量。内部采样的密集化将使大型低速体的分辨率不断提升。然而，处理如此庞大的数据量也是一个挑战。不久之前，地震学家还需要亲自查看并手动测量所有数据。而如今，随着地震事件和观测记录的不断增加，从数百万次的地震波中记录下的数据已经多到人类无法逐一查看。
处理如此大量的数据只能依赖软件，因此科学家正逐步采用自动化、机器学习和人工智能进行分析。尽管这大大增加了可用测量数据的数量，但也可能引入误差。如何训练算法以区分高质量和低质量数据也是一个活跃的研究领域。
地震成像提供了地球内部的今日快照。要将其置于地球时间演化的背景下，并提取有关地球化学和矿物学的有意义信息，就必须展开跨学科研究。地球动力学家使用动态流动模拟预测地球内部的温度和成分模式。矿物物理学家研究地球内部的矿物学特征，并在高压实验室实验中再现这些成分。通过将这些分析与喷发熔岩的化学机制、地球磁场的生成与性质以及地表构造运动的知识等相结合，我们正逐步深入了解地球地幔深处那巨大的大型低速体的起源、演化，以及它们与重要地表现象之间的关系。
资料来源 Physics Today
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本文作者艾德·加内罗（Ed Garnero）是美国坦佩市的亚利桑那州立大学地球与空间探索学院（SESE）的教授；克莱尔·理查森（Claire Richardson）即将获得她在SESE的博士学位。他们通过地震学研究行星内部的性质