这下，地幔 混合对流模式有了“实锤”

“天堂到地球”是人类的梦想。不久前，嫦娥4号登上月球背面探索太空深处的秘密。地球科学家也一直在努力揭示地球内部的秘密。

最近，中国科学院测量与地球物理研究所的倪思道等研究人员经过长期研究，发现了地幔混合对流的重要证据，为揭示地球深部的秘密提供了新的线索。

地幔对流模式不断“演变”

上地幔下沉并到达地幔深度，下地幔热束上升流到达地表。

根据地震波在地球中传播速度的变化，地球的固体表面分为三层:地壳、地幔和地核。如果把它们比作心脏松弛的鸡蛋，外套膜就是固体蛋白质部分。地幔厚2800多公里，其质量占地球总质量的67%。根据地震波速度的变化，地幔可分为两层:上地幔和下地幔。地幔在大约410公里和660公里的深度有两个界面。410公里的浅部是上地幔，660公里的深部是下地幔，410公里至660公里的部分称为地幔过渡带。

众所周知，地球上有板块运动。“板块运动是地球表面地幔运动的表现。因为地幔对流是板块运动的主要驱动机制，所以科学家们通常称板块运动为地幔对流。中国科技大学地球与空间科学学院地球动力学专家冷伟教授告诉《科学日报》，地幔对流的下边界是地核-地幔边界，深度约为2900公里。由于地核比地幔热得多，这相当于位于炉子上的下地幔，所以会有持续的热羽流上升流。

地幔对流有两种表现:一是上地幔的冷板下沉到地幔并到达地幔深处；另一个是下地幔柱向地表的上升流。"然而，地幔对流模型一直存在争议."冷伟说道。

起初，地球化学家认为地幔对流只发生在上地幔。他们发现，地表观测结果表明，下地幔保留了数十亿年前原始地幔的残余，这意味着至少部分下地幔不参与整个地幔对流，即使参与了，也只是在下地幔内部进行。

在20世纪90年代后期，更多的证据表明地幔对流不仅仅存在于上地幔。科学家们基本上已经证实，俯冲板块肯定可以进入下地幔，相应地，地幔柱也可以穿过地幔过渡带到达地表。"完全地幔对流肯定存在，并且被科学家广泛接受."冷伟说道。

然而，很难解释地球化学家的问题。为什么原始地幔的残余物质仍留在下地幔？

为了解决这个问题，地幔对流模式更进一步，发展了地幔混合对流模式。根据新的模式，虽然俯冲板块可以通过地幔过渡带进入下地幔，地幔柱也可以从下地幔通过地幔过渡带进入上地幔，但这种通道只发生在局部，也就是说，在某些地方有完全的地幔对流，在某些地方上地幔和下地幔之间可能有较强的屏障，没有对流。

地幔不连续性存在小规模波动。

在一些地区，地幔分层对流，在一些地区，上地幔和下地幔整体对流

倪思道等人的研究为地幔混合对流模式提供了新的证据。他们首次在非对称路径的660公里段发现了散射波和地震相，揭示了地幔660公里段的小尺度波动特征。这一发现很难用全地幔对流或上、下地幔分层对流模型来解释，但支持地幔混合对流模型，即某些地区的地幔分层对流和某些地区的上、下地幔整体对流。

当一个局部地震波遇到一个相对平滑的界面时，它会反射，反射的地震波以与入射波对称的方向传播，就像光束在镜子上以特定的方向反射一样倪世道告诉记者，但当界面粗糙时，地震波可能会向不同方向反射，这被称为漫反射或散射。这时，入射波和散射波不再保持对称关系。

“非对称路径660 km剖面散射波相位”是660 km界面上地震波的一种散射波，表明660 km界面具有一定的粗糙度。“在我们的研究中，我们没有观察到410公里界面处的散射波，但观察到660公里界面处的散射波。因此，我们认为410公里界面相对平滑，660公里界面相对粗糙，这意味着存在小规模波动。”倪思道说。

事实上，如果上地幔和下地幔物质是均匀的，就不容易看到这样的起伏。如果有波动，上地幔和下地幔之间可能有化学界面。因此，研究人员提出，410公里界面的主要原因是相变，而660公里界面不是完全相变，在某些地区应该是化学界面，而在其他地区化学分层不明显，化学界面的存在表明上地幔和下地幔存在整体对流。毫无疑问，研究结果支持地幔混合对流模式。著名的国际学者克里斯汀·豪斯(Christine Houser)在《科学》的观点专栏中写了一篇文章，评论道:“这项研究成果有助于回答地球进化的基本问题。”

“杀手”地震是一种透视

地幔中元素的分布和化学异常的结构仍有争议。

地幔对流实际上是如何运动的？运动的原因是什么？练习的结果是什么？科学家在回答这些问题时使用什么方法？

冷伟回应说，为了研究这些问题，我们需要使用数值模拟方法，使用高性能计算机通过数值模型来模拟地球内部的运动。然而，这些模拟需要通过各种观察来验证，也就是说，模型是否能够解释地球内部运动的实际情况。

地震学也是研究地幔对流的常用方法。通过地震波，我们不仅可以看到俯冲板块向下运动的位置，它们是如何穿过界面的，在地核和地幔的边界上积累的形式是什么，还可以看到地幔柱的起源和上升的形式等。地震学是一种直接观察形态的方法。

此外，还有一种化学地球动力学方法，即通过跟踪表面元素的迁移，来推测地球内部的运动。"在这三种方法中，数值模拟法是目前应用最广泛的方法."冷伟说道。

倪思道还表示，研究地幔对流的方法很多，包括地球动力学数值模拟、实验室物理模拟、测量矿物岩石流变性质的高温高压实验、地震波成像、地球化学分析、大地水准面和重力场分析等。其中，地震学在地幔研究中起着极其重要的作用。地震波具有穿透整个世界的优势。他们可以对地幔成像，并探测地幔的垂直和水平不均匀性。

目前，地震学研究表明，上地幔高度复杂，下地幔相对简单，但下地幔底部也非常复杂。地幔在所有尺度上都是复杂的。俯冲板块可以通过地幔过渡带进入下地幔，地幔柱也可以从下地幔通过地幔过渡带进入上地幔。地震学家已经基本达成共识。然而，在元素的具体分布、内部化学异常的结构和形成等问题上仍存在争议，需要进一步研究。