图片来源：动图截图/OLENA SHMAHALO / QUANTA MAGAZINE
几十年前，科学家们首次利用地震的回声绘制出地球深处的地图。他们不只是找到了你可能在小学课本上看到的洋葱层——地核和被开裂的地壳覆盖的地幔。相反，他们看到了两个巨大的、异常的模糊轮廓，仿佛来自深渊中未知形状的凝视。
多年来，更精细的地图不断显示出同样的团块状特征。一个蜷缩在非洲下面;另一个窝在太平洋下面。它们潜伏在地球熔化的铁核与岩石地幔相遇的地方，像地下世界的巨型大陆一样漂浮着。它们的最高点可能超过珠穆朗玛峰高度的100倍。如果你把它们带到地表，上帝保佑，它们包含的物质足够覆盖整个地球，形成一个大约100公里深的熔岩湖。
“这就像在天空中冒出一个物体，然后问，‘那是月亮吗?人们会说，不是。‘那是太阳吗?’不是。‘那这是什么? ’我们不知道!”马里兰大学的地震学家Vedran Lekić说，“不管它是什么，它与地球的进化密切相关。”
这些庞大的、隐藏的地震特征的第一个谜团是，它们是否由不同于地球地幔其他部分的物质构成。第二：这些图案是如何在我们的表层世界留下痕迹的?
这两个谜团都没有解决。但近年来，许多地球科学家开始提出这样的观点：这些模糊的形状是一堆堆密密麻麻、冒着烟的岩石，可追溯到地球的开端。过去一年的多项研究认为，它们持续的影响可能是夏威夷等火山热点长期令人困惑的模式的原因。
“这些是地球上最大的东西。”亚利桑那州立大学的地震学家埃德·加内洛(Ed Garnero)说，“直到最近我才开始思考，‘哇，它们的影响可能是超级深远的’。”
核心问题
如果一个万能的科学插画家把地球切成两半，他们首先需要把我们赖以生存的薄薄的地壳切开，地壳被分成移动的构造板块。然后穿过岩石地幔。只有在地下2900公里处，也就是离地心一半的地方，他们才会碰到地核-地幔边界。
为了绘制那部分地球的地图，地震学家利用地震释放的波。当波浪向外振动时，它们的速度取决于所经过的物质。这导致它们在不同的时间到达不同的监测站。1984年，哈佛大学研究员亚当·季旺斯基(Adam Dziewonski)首次将许多不同地震的数据整合成一张全球地图。这两个团块立刻出现了，像星战中莱娅公主小圆面包式头发一样附着在两边的核上。
在这些地区，地震波似乎变慢了，这表明这些团块比周围的地幔要热。我们怎么知道的?岩石受热膨胀。加内洛说，这使得海浪在温暖的地区缓慢移动，就像在松散的吉他弦中缓慢移动的振动一样。
缓慢的波给这些团块一个正式的名字:大型低剪切波速度块体(large low-shear-velocity provinces)，或者LLSVPs。也许命名拗口，缩写又太低调，相关话题并不多。剑桥大学的地震学家Sanne Cottaar说:“都怪我们，因为我们错误地命名了这个特征。”
起初，地球科学家在考虑这些温暖的团块时认为，它们的一个明显特征——温暖。这个学派认为，这些团状物主要是热特征。随着时间的推移，地幔就像一个难以忍受的缓慢沸腾的水锅。而热量来自于地幔接触地核的底部，这种热量导致地幔中的岩石以羽流的形式上升。地震学家们在绘制地震团块的时候，可能只是看到了世界上最大的热羽流的模糊基底区域。
在这种观点下，这些团状物主要由与地幔其余部分相同的物质组成。它们的位置是由上面的板块构造决定的，而不是由这些区域的任何固有的和令人毛骨悚然的东西决定的。当地壳中的一个板块被推到另一个板块之下，这个过程被称为俯冲，它就会下沉，把较冷的岩石送入地幔。
然而，伦敦帝国理工学院的Saskia Goes说，在过去的几亿年间，还没有板块俯冲过这些团块区域。“正是因为缺少冷的物质，才使得它们相对来说比较热。”
与此同时，反对这种观点的学派并不怀疑热团区域会升起羽流。他们只是争辩说，这些团块本身是特别的。
自2000年代中期以来，几个地震学家小组研究了刚好掠过这些区域边缘的地震信号。这些信号显示出复杂的模式，表明波浪掠过了一个相对清晰的边界。这表明团块的边缘标志着材料之间的转变，而不仅仅是温度。
在这种观点下，这些团块就是所谓的热化学堆，即具有独特化学成分的密集岩石块。由于它们与地核的长期接触，温度比地幔的其他部分要高，这就导致了羽流的出现。
假设这些团块是不同的，它们可能非常古老——地球婴儿时期的最后残存物。一个主要的观点是，当整个下地幔是岩浆海洋时，这些团块形成了，就在地球诞生后不久。巴黎高等师范学院(Ecole Normale Superieure)的尼古拉斯•科尔蒂斯(Nicolas Coltice)表示，岩石开始冷却并结晶，但铁仍在岩浆海洋中熔化。然后，当最后的岩浆渣结晶时，变得非常稠密并且富含铁，促使它们下沉到地幔的底部，形成了这些团块。
在这一阶段，这些团块可能挺过了早期行星上最大的灾难:一个假设的撞击，一个火星大小的物体，叫做忒伊亚，最终诞生了月球。或者，加内罗推测，这些密集而独特的石堆甚至可能是忒伊亚本身的碎片，永远埋在地下深处。
从纯热学的观点来看，板块构造是世界上真正的运动者和振动者，决定着上升流发生的位置。但是热化学堆的阵营相信，热的、重的、稳定的团块会与地表构造系统有更多的来回对话。下沉板块的寒流会像橡皮泥一样把这些气泡推来推去;反过来，来自热团的上升流会把板块推回去。
热点难题
为了测试这些团块对操控地球这艘物理飞船有何作用，科学家们将目光投向了夏威夷。在过去的一年里，研究人员利用这些团块来解决两个长期存在的谜题。
首先考虑夏威夷-皇帝岛链，由一段岛屿和水下山脉组成。这条神奇的山脉从仍在生长的大岛开始，全长6200公里，在俄罗斯附近结束。地质学家长期以来一直将这条链条解释为一个热点:当太平洋板块在固定的地幔柱上滑动时，羽流从下方向上推动新的火山岛。
唯一的问题是拐弯处，在这个链条的中间是一个60度的扭结。地球物理学家认为，这种弯曲来自很久以前板块运动的变化。
但是，一个研究小组去年7月提出，为了实际符合所有的数据，羽流也必须移动。为此，他们将原因归结于团块。
这篇新论文的合著者、罗切斯特大学的约翰·塔杜诺(John Tarduno)说，此前的研究表明，夏威夷的羽流可能是从太平洋边缘的远处喷发出来的。但是地幔中的洋流会使这个团状物变形，并将地幔柱拉向它。最终，羽流会停在团块的边缘。
夏威夷和太平洋地区之间的联系可能会反过来解开另一个更广泛的谜团。
地球化学家一直试图解释为什么来自夏威夷和其他热点地区如萨摩亚、加拉帕戈斯群岛和冰岛的熔岩有独特的化学特征。例如，来自这些热点的熔岩含有相对高浓度的氦-3——一种比太阳系起源更早的原始遗迹。科学家们在氖同位素(据认为也很古老)中发现了类似的模式，钨、氙同位素也是如此，这两种同位素都是在地球诞生后不久由其他元素的放射性衰变形成的。
今年7月，由加州大学戴维斯分校的地球化学家柯蒂斯·威廉姆斯(Curtis Williams)领导的一个研究小组发表了模拟结果，追踪了热点下的羽流回到流动的地幔。他们发现这些羽流一直到达团块，并带来独特的化学作用。 威廉姆斯说：“地幔(羽流)的任何部分，它确实很老。”
加州大学圣巴巴拉分校的地球化学家罗伯塔·鲁德尼克(Roberta Rudnick)说，这些发现证实了这些团块是由“古代物质”构成的。“这是非常激动人心的时刻。”
当羽流和涡流在团块周围打转时，气流有时会捕捉到团块物质本身的小块，这就解释了远在上方的热点熔岩的奇异之处。但更大的碎片也可能偶尔断裂，这可能与另一种可疑的模式有关。
根据由奥斯陆大学Trond Torsvik领导的研究，团块似乎也被连接到大约二十个表面区域称为大火成岩省地方，在这些地方，地球过去多次在表面上渗出数百万立方公里的熔岩。其中许多事件本身都与大灭绝有关，这是过去5亿年里最大规模的生命灭绝事件。
如果这种关联不是巧合，Lekić推测，这些事件甚至可能是团块从主体结构脱离的结果。 如果浮在水面，它们将融化成足够热的岩石，从而引起巨大的持续喷发。 反过来，火山活动可能会改变气候，甚至导致大规模灭绝。这样的一个推测，如果被证实，将是终极的洪荒时代的定时炸弹——世界诞生以来被掩埋的地下结构触发了世界末日的灭绝。
加内洛说，近距离看，地下深处可能比表面看起来更崎岖不平，不止两个小块，就像我们的世界地图上既有大陆，也有小岛和半岛一样。更小的热物质团块可能会从主要的团块崩解并漂移到其他地方，这就解释了像黄石公园这样的特征，它比岛屿热点更难与地幔深处的任何东西相联系。
然而，即使在这些团块突然出现在一代人的视野中之后，地球科学家仍在不断完善他们的测量方法和模型，以解释这些数据可能意味着什么。Cottaar说:“人们有更悠久的历史，更容易仰望星空。”“往下看实际上更具有挑战性。”
原文来源：https://www.quantamagazine.org/continents-of-the-underworld-come-into-focus-20200107/
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