地球地幔內部的巨大異常可能是形成月球的碰撞的殘余

發表于 2025-12-10 06:13:34 來源：骨軟筋酥網

地球深部地幔中的大型低速帶可能是Theian地幔物質的遺跡。鳴謝:uux.cn/鄧紅平和杭州環球工作室
（神秘的內部能形地球uux.cn）據中國科學院：一個跨學科的國際研究小組最近發現，地球內部深處的常可成月一個巨大異常可能是大約45億年前形成月球的碰撞的殘余。
這項研究不僅對地球的碰撞內部結構，而且對其長期演化和內太陽系的地球地幔的巨大異的殘形成提供了重要的新見解。
這項研究依賴于中國科學院上海天文臺(邵)鄧鴻平教授開創的內部能形計算流體力學方法，作為11月2日《自然》雜志的常可成月專題封面發表。
對于幾代科學家來說，碰撞月球的地球地幔的巨大異的殘形成一直是個謎。主流理論認為，內部能形在大約45億年前地球增長的常可成月后期階段，原始地球(蓋亞)和火星大小的碰撞原行星忒伊亞之間發生了一次大規模的碰撞，稱為“巨大撞擊”。地球地幔的巨大異的殘月球被認為是內部能形由這次碰撞產生的碎片形成的。
數值模擬表明，常可成月月球很可能主要從忒伊亞那里繼承了物質，而蓋亞由于質量大得多，只受到了Theian物質的輕度污染。
由于蓋亞和忒伊亞是相對獨立的構造，由不同的物質組成，這一理論表明，月球——由忒伊亞物質主導——和地球——由蓋亞物質主導——應該有不同的組成。然而，高精度的同位素測量后來揭示了地球和月球的成分非常相似，從而挑戰了月球形成的傳統理論。
盡管后來提出了各種改進的巨型撞擊模型，但它們都面臨著挑戰。
為了進一步完善月球形成的理論，鄧教授于2017年開始對月球的形成進行研究。他專注于開發一種新的計算流體動力學方法，稱為無網格有限質量(MFM)，擅長精確模擬湍流和物質混合。
鄧教授利用這種新的研究方法，對大規模撞擊進行了多次模擬，發現早期地球在撞擊后出現地幔分層，上地幔和下地幔具有不同的組成和狀態。具體來說，上地幔以巖漿海洋為特色，通過來自蓋亞和忒伊亞的物質的徹底混合而形成，而下地幔基本上保持固態，并保留了蓋亞的物質組成。
“以前的研究過分強調碎片盤(月球的前身)的結構，而忽略了大碰撞對早期地球的影響，”鄧說。
在與蘇黎世瑞士聯邦理工學院的地球物理學家討論后，鄧教授及其合作者認識到，這種地幔分層可能一直持續到今天，與中地幔(位于地球表面下約1000公里處)的全球地震反射體相對應。
具體來說，根據鄧教授之前的研究，地球的整個下地幔可能仍然由撞擊前的蓋安物質所主導，該物質與上地幔具有不同的元素組成(包括更高的硅含量)。
“我們的發現挑戰了大撞擊導致早期地球同質化的傳統觀念，”鄧教授說。“相反，形成月球的巨大撞擊似乎是早期地幔不均勻性的起源，并標志著45億年來地球地質演化的起點。”
地球地幔不均勻性的另一個例子是兩個異常區域——稱為大低速區(llvp)——在地幔底部延伸數千公里。一個位于非洲板塊之下，另一個位于太平洋板塊之下。當地震波穿過這些區域時，波速會顯著降低。
LLVPs對地幔的演化、超大陸的分離和聚集以及地球的構造板塊結構有著重要的意義。然而，它們的起源仍然是個謎。
來自加州理工學院的錢媛博士和他的合作者提出，LLVPs可能是由少量進入蓋亞下地幔的Theian物質演化而來的。隨后，他們邀請了鄧教授來探索大撞擊后地球深部物質的分布和狀態。
通過對之前的巨型撞擊模擬進行深入分析，并通過進行更高精度的新模擬，研究小組發現大量的Theian地幔物質，約占地球質量的2%，進入了Gaia的下地幔。
鄧教授隨后邀請計算天體物理學家Jacob Kegerreis博士使用傳統的光滑粒子流體動力學(SPH)方法來證實這一結論。
研究小組還計算出，這種與月球巖石類似的Theian地幔物質富含鐵，使其密度高于周圍的Gaian物質。結果，它迅速沉入地幔底部，并在長期的地幔對流過程中，形成了兩個顯著的LLVP區。這些LLVPs在45億年的地質演化中一直保持穩定。
深部地幔的不均勻性，無論是在中地幔反射體還是在底部的LLVPs中，都表明地球內部遠不是一個統一的“無聊”的系統。事實上，少量深層的不均勻性可以通過地幔柱帶到地表，地幔柱是由地幔對流引起的圓柱形上涌熱流，例如可能形成夏威夷和冰島的地幔柱。
例如，地球化學家在研究冰島玄武巖樣本中稀有氣體的同位素比率時發現，這些樣本中含有不同于典型地表物質的成分。這些成分是45億年前地幔深處不均勻性的殘余，是理解地球初始狀態甚至附近行星形成的關鍵。
據袁博士介紹，“通過對更大范圍巖石樣本的精確分析，結合更精細的巨型撞擊模型和地球演化模型，我們可以推斷原始地球、蓋亞和的物質組成和軌道動力學。這使我們能夠約束內太陽系形成的整個歷史。”
鄧教授認為當前的研究有更廣泛的作用。“這項研究甚至為理解太陽系以外系外行星的形成和可居住性提供了靈感。”

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