地幔中的化学储存库找到了!
研究早期地球形成的科学家认为:这些遍寻不着的化学储存库可能就藏在核幔边界上残存的熔融岩浆堆中-正逐渐消失的地球秘室。
为了解释洋岛玄武岩与中洋脊玄武岩不同的化学性质,最早地球化学家提出两者来自不同的岩浆库,同时引发地球物理与化学界对地幔对流型态的争论。法国科学家S. Labrosse与他的同事则从地球演化的观点来看这个问题,他们认为这些遍寻不着的化学物质如铀、钍与钾等不兼容元素可能就藏在核幔边界上残存的熔融岩浆堆中,这个研究结果已发表在Nature 期刊上。
当地球表面覆盖炽热熔融的岩浆海时,岩浆海中富含铁的液滴因密度较大而往地核迁移,并且在地幔的底部累积。这个存在核幔边界的岩浆海,最早可能有1000km厚。根据计算,在45亿年前、地球刚形成不久,接近地核的地幔至少还有900km厚的部分是处于熔融状态。
当地幔底部的岩浆海慢慢冷却,结晶出的固体与留在熔融中的成分并不相同,铀、钍等不兼容元素较容易留在熔融之中。由于熔融的高含铁成分、加上受到地幔对流的影响,现今残存的熔融位在地幔的最底部、并被推挤成堆,地震波侦测到的ULVZ(ultralow-velocity zones,地震波超低速带) 【注】就是它们存在的证据。
这个研究在最近(2007年)的秋季美国地球物理年会引起热烈的讨论,未来还要经过后续研究的检验。在地震学研究、高压矿物实验与数值模式实验、三个领域的合作下,使得科学家开始有能力涉足地球演化的问题,未来将逐步带我们回顾地球的过去、展望地球的命运。
【注】ULVZ(ultralow-velocity zones)位在核幔边界(CMB,core mantle boundary)上、当震波穿过时,波速很慢的区域。它的厚度从5到40km不等,形状很像是直接堆在CMB的小山丘群。由于波速明显减慢(P波下降5~10%、S波下降10~30%),再加上S波波速下降的幅度大约是P波的3倍,因此一般推测这个区域的物质很可能是处于部份熔融的状态,再加上它稳稳坐落在CMB上,其组成的密度可能比周围的下地幔物质还要大。究竟如何产生ULVZ?密度大的物质(一般相信是铁)来自何方?目前仍没有共识。
原始论文: Labrosse S., J. W. Hernlund,N. Coltice, A crystallizing dense magma ocean at the base of the Earth's mantle, Nature 450, 866-869 (2007)