Earth's core mystery solved: How solid rock flows 3,000 kilometers beneath us

震撼人心的火山爆发、移动的构造板块——这些都是我们星球充满生机的迹象。但地球深处揭示的景象令外行和科学家都感到惊讶：在地表以下近3000公里处，固态岩石正在流动，它既不像熔岩那样是液体，也不像固体岩石那样易碎。苏黎世联邦理工学院实验矿物物理学教授 Motohiko Murakami 领导的地球科学家的新研究揭示了这一点。该研究刚刚发表在期刊《通讯-地球与环境》上。

 

半个世纪的猜测

50多年来，研究人员一直对地球深处一个奇怪的区域——即位于我们脚下约2700公里处的所谓D"层——感到困惑。地震波在那里突然表现异常：它们的速度跃升，仿佛穿越了不同的物质。直到现在，地幔该层究竟发生了什么才得以明朗。

Murakami（自2017年起担任苏黎世联邦理工学院教授）在2004年发现，地球下地幔的主要矿物钙钛矿，在D"层附近极端高压和超高温下会转变为一种新矿物——即所谓的“后钙钛矿”。

研究人员曾假设这种变化解释了地震波的奇怪加速。但这并非全部原因。2007年，Murakami及其同事发现了新证据，表明仅靠钙钛矿的相变不足以加速地震波。

通过使用复杂的计算机模型，他们最终发现了重要的一点：后钙钛矿晶体的硬度会根据其指向的方向而变化。只有在模型中该矿物的所有晶体都指向同一方向时，地震波才会加速——这可以在2700公里深处的D"层观察到。

在苏黎世联邦理工学院进行的一项不寻常的实验室实验中，Murakami现已证明，在巨大压力和极端温度下，后钙钛矿晶体会沿着完全相同的方向排列。为此，研究人员在实验中测量了地震波的速度，并成功在实验室中重现了发生在D"层的速度跃变。“我们终于找到了最后一块拼图，”Murakami说。

地幔流使晶体定向排列

关键的问题是：是什么让这些晶体排列整齐？答案是沿着地幔底缘水平流动的固态地幔岩石。研究人员早就怀疑这种运动——一种类似沸水的对流——必然存在，但一直未能直接证明它。

地球研究的新篇章开启

Murakami及其同事现在也通过实验证明，固态岩石的地幔对流存在于地核与地幔的边界处，即在此深度，固态——而非液态——岩石缓慢而稳定地流动。“这一发现不仅解开了D"层之谜，也为洞察地球深处的动力学打开了一扇窗，”Murakami解释道。

这不仅仅是一个里程碑，更是一个转折点。固态岩石会流动的假设已从理论转变为确定的事实。“我们的发现表明，地球不仅在表面活跃，在其内部深处也在运动，”这位苏黎世联邦理工学院教授说。

凭借这一认知，研究人员现在可以开始描绘地球最深处的地幔流，从而使驱动火山、构造板块乃至地球磁场的隐形引擎变得可视化。