这幅示意图展示了早期地球内部的剖面，揭示了地核与地幔边界上方一个炽热熔融层。科学家认为，地核的某些物质曾渗入这个熔融层并与之混合。随着时间的推移，这种混合作用逐渐形成了我们今天所看到的地幔不均匀结构。
多年来，研究人员一直对隐藏在地球深处的两个巨大而奇特的地质构造感到困惑。它们的规模、形状和性质如此极端，以至于关于行星形成与演化的传统理论难以解释其存在。
近日，罗格斯大学地球动力学家宫崎义则（Yoshinori Miyazaki）领导的研究团队在《自然·地球科学》期刊上发表了一项新研究，提出了一种全新的解释，可能最终阐明这些构造的起源及其与地球长期宜居性的关联。
这些被称为大型低剪切波速省和超低速带的构造位于地表以下约2900公里处的地幔与地核边界。大型低剪切波速省是体积巨大、温度极高且密度异常高的岩石体，其中一个位于非洲下方，另一个位于太平洋下方。超低速带则像是附着在地核表面的薄层状部分熔融区域，形态类似水洼。两者都会显著减缓地震波速，表明其物质组成或物理状态与周围地幔存在显著差异。
“这些并非随机出现的异常体，”罗格斯大学文理学院地球与行星科学系助理教授宫崎义则表示，“它们是地球最早期历史留下的指纹。如果我们能理解它们存在的原因，就能理解我们的行星如何形成，以及为何变得适宜生命居住。”
来自地球“岩浆海”时期的线索
据宫崎义则描述，地球曾一度被全球性的熔岩海洋所包裹。随着这个古老岩浆海的冷却，许多科学家预期地幔会形成清晰的化学分层，就像冰冻果汁会分离成浓缩糖浆与稀薄冰层那样。然而，地震波观测并未揭示出这种清晰的分层结构。相反，大型低剪切波速省和超低速带似乎在地幔底部形成了复杂且不均匀的堆积体。
“这个矛盾正是研究的起点，”宫崎义则说，“如果我们从岩浆海模型出发进行计算，得到的结果与现今观测到的地幔结构并不吻合。一定存在某些被忽略的因素。”
地核物质泄漏与消失的岩浆层
研究团队提出，被忽略的关键因素可能正是地核本身。他们的模型表明，在数十亿年的时间里，硅、镁等元素逐渐从地核渗入地幔。这种混合作用会阻碍强烈化学分层的形成，同时也可能解释大型低剪切波速省和超低速带异常的物质组成——科学家认为这些构造可能是受到地核来源物质改造的“基底岩浆海”冷却残留物。
“我们提出的假设是，这些物质可能来源于地核的渗漏，”宫崎义则解释道，“如果加入地核组分的影响，就能解释我们当前观测到的现象。”
深部过程如何塑造行星宜居性
宫崎义则指出，这项研究的意义超越了矿物化学范畴。地幔与地核之间的相互作用可能影响了地球的热量释放方式、火山活动的演化进程，甚至随时间推移的大气层变化。这一视角或许有助于阐明为何地球最终形成了海洋与生命，而金星变得极端炎热，火星则寒冷荒芜。
“地球拥有水、生命和相对稳定的大气层，”宫崎义则说，“金星大气层厚度是地球的100倍且主要成分为二氧化碳，火星的大气层则非常稀薄。我们尚未完全理解其成因。但行星内部发生的过程——即它如何冷却、各层如何演化——可能是答案的关键部分。”
理解地球内部的新框架
通过综合地震观测、矿物物理学和地球动力学模拟，研究团队将大型低剪切波速省和超低速带重新定义为记录地球形成过程的重要档案。该研究还表明，这些深部构造可能为夏威夷、冰岛等火山热点地区提供能量来源，从而建立了地球内部与地表活动的直接联系。
“这项研究精彩展示了行星科学、地球动力学和矿物物理学的结合如何帮助我们解开地球最古老的谜团，”论文合著者、普林斯顿大学研究员邓杰（Jie Deng）评价道，“深部地幔可能仍保留着早期核幔相互作用的化学记忆，这一观点为理解地球独特的演化历程开辟了新途径。”
研究人员指出，每一个新发现都让我们更接近重建行星最早期的历史章节。那些曾经看似孤立的证据碎片，如今正在拼合成一个更具连贯性的故事。
“即使线索非常有限，我们已开始构建一个合理的故事框架，”宫崎义则总结道，“这项研究让我们对地球的演化过程及其独特性有了更深入的认识。”
