俯沖作用是驅動板塊構造的核心機制。然而，最近發表在《科學報告》上的一項研究顛覆了科學家對地球內部的傳統認知。一個國際研究團隊通過高分辨率的地震波模型，在地幔中發現了多個意想不到的區域，這些區域疑似古老板塊的遺跡，但它們的位置卻令人費解——并非位于通常的板塊邊界，而是深藏于大洋之下或大陸內部。此外，這些區域周圍并沒有任何地質證據表明過去曾發生過俯沖作用。

地震波里的信息

地幔宛若是地球的“引擎”，它深藏于地球表面2890千米之下，其固態對流塑造了數十億年來地球內部和表面的演變。然而，由于無法直接觀察或采集樣本，科學家只能通過間接手段探索地球深處。例如，地震層析成像是地球內部成像的一種主要方法，它利用地震波的傳播速度推斷地球內部結構，就像醫生使用超聲波成像技術檢查人體內部一樣。

地震波在傳播過程中會受到地球的熱結構和化學結構的非均質性的影響，表現出波速異常。當地球震動時，地震波從震中向四面八方傳播。它們在穿越地球時，會發生折射、衍射或反射。地震波的傳播速度不僅取決于波的類型，還取決于它們穿過的物質的密度和彈性。通過記錄波的這些變化，科學家就能推斷出相關的地球內部結構和組成，并研究隱藏在地球深處的動態過程。

過去，科學家們借助地震記錄，已經繪制出了構造板塊在地幔中的分布圖。這些板塊總是在預料中的地方出現，即俯沖帶——兩個構造板塊相遇，其中一個向下俯沖到另一個之下。這些發現幫助科學家探索地球歷史上的板塊構造周期，即地球表面的板塊如何形成與消亡。

令人困惑的發現

然而，新的研究卻帶來了令人驚訝的發現。研究人員采用了一種創新的建模方法，可以使他們不再僅依賴單一的地震波，而是可以結合所有類型的地震波對地球內部進行成像。利用這種被稱為“全波形反演”的技術，研究人員通意外揭示了下地幔中許多此前未被發現的波速異常區域。

許多這些新發現的未知異常位于主要的大洋和大陸內部之下，例如其中一處就位于西太平洋下方。然而，根據現有的板塊構造理論和地質史，這些地方并不存在俯沖板塊的可能性。目前，研究人員還無法確切解釋這些異常背后的物質或機制。他們暫時無法確定這些物質的來源，也不清楚它們對地球內部動力學意味著什么。這些異常現象讓科學家們陷入了困惑。

研究人員利用一個新的模型揭示了在地球的下地幔中，地震波傳播得更慢（紅色）或更快（藍色）的區域。西太平洋的大片藍色區域（圖像中心正上方）此前是未知的。（圖/Sebastian Noe/ETH Zurich）

研究人員形容，這種感覺就像一位醫生用超聲波研究血液循環數十年，早已熟悉動脈的位置和分布。然而，當醫生換上更先進的成像設備后，卻意外發現臀部多出了一條不屬于那里的動脈。這正是新發現帶給科學家的沖擊和挑戰。

提取波中的秘密

目前，研究人員只能提出一些假設。他們認為下地幔的這些異常區域可能有多種來源：可能它們并非之前假設的那樣，僅僅是在過去2億年間俯沖下來的冷板塊物質。也可能它們是自大約40億年前地幔形成以來就一直存在的古老的、富含二氧化硅的物質，盡管地幔中存在強烈的對流運動，這些物質仍奇跡般地保存至今。還有一種可能是，這些異常區域也可能是富含鐵的巖石，在數十億年的地幔運動中逐漸累積而成。

研究人員表示，若要進一步解開這些謎團，他們需要構建更好的模型并開展更深入的研究，以便更全面地了解地球內部的秘密。目前，他們的模型只能通過波速反映地球內部的單一屬性。但地球的內部結構復雜得多，僅憑波速并不能充分描繪這種復雜性。接下來，他們需要計算更多材料參數，來揭示這些波速背后的真實物質特性。

#參考來源：

https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2025/01/sunken-worlds-under-the-pacific.html

https://www.nature.com/articles/s41598-024-77399-2

#圖片來源：

封面圖&首圖：Sebastian Noe / ETH Zurich