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儒勒.凡爾納在科幻經(jīng)典作品《地心歷險記》中描述了地球內(nèi)部的奇幻世界。主人公經(jīng)過一個神秘的火山口，到達(dá)了地球深部，那里不僅有炙熱的巖漿、大片的海洋，還有各種奇怪的生物。小說中地球內(nèi)部和表面一樣多姿多彩。但真實的情況真是這樣嗎？能找到這樣一個直通地球內(nèi)部的火山口嗎？《地心歷險記》的主人公終究沒能到達(dá)地球中心。在凡爾納生活的18世紀(jì)末，人們對地球深內(nèi)部的認(rèn)識非常有限。
核幔邊界（CMB)是地球內(nèi)部變化最劇烈的物質(zhì)和溫度分界面：其上是固態(tài)硅鎂質(zhì)的地幔，其下為快速對流的液態(tài)鐵合金外核。2891千米，這是核幔邊界離我們地球表面的距離。這個距離等同于廣州到哈爾濱的直線距離，搭乘飛機只需要4個多小時。然而，從地球表面到核幔邊界，幾十年來人們卻只走了十幾千米。原因在于地球的壓力和溫度隨深度不斷增加：CMB的壓強約120 吉帕（相當(dāng)于250頭成年大象一起站在一個高跟鞋上，鞋尖所承受的壓力），溫度約3500開爾文，遠(yuǎn)超過現(xiàn)階段科技手段能直接到達(dá)的極限。我們對CMB最直接的了解來源是地震波，通過研究地震波穿過這一區(qū)域的時間以及波形的變化，我們知道CMB并不是一個簡單平滑分界面，CMB不僅有幾千米的起伏，而且在其上方的下地幔底部區(qū)域隱藏著地球變化最劇烈的區(qū)域。而CMB的結(jié)構(gòu)不僅直接決定了地球內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，進(jìn)而影響地球的磁場，同時也影響了地球自轉(zhuǎn)變化。
1942年前美國地震學(xué)家布倫將地球內(nèi)部分為A-G層，其中整個下地幔為D層。后來的工作發(fā)現(xiàn)相對于比較簡單的下地幔上半部分，下地幔底部更為復(fù)雜。在1950年，布倫進(jìn)一步將下地幔底部到CMB的這200～400千米劃分為D''層，見圖1。通過類似于醫(yī)學(xué)CT的地震層析成像方法，可以獲得地球在1000千米尺度上的大結(jié)構(gòu)。我們知道D''層分布了各種尺度上的結(jié)構(gòu)體，遠(yuǎn)比地球表面復(fù)雜。
在CMB附近，最明顯的一類異常是分別位于非洲和太平洋下方的大尺度剪切低速異常體（LLSVP），見圖2，其高度達(dá)1000千米，橫向覆蓋達(dá)到幾千千米，分布在CMB的一半面積上。究竟是什么原因造成了這個和青藏高原面積相當(dāng)?shù)叨仁瞧?00倍的低速異常體呢? 通過進(jìn)一步地震學(xué)精細(xì)工作，發(fā)現(xiàn)LLSVP具有比較陡峭的邊界和比較大的密度。這種結(jié)構(gòu)在動力學(xué)上很難由純熱異常所引起的地幔對流形成，而需要LLSVP與周圍物質(zhì)的化學(xué)成分不同來解釋。在地表我們也觀測到一些溫度比周圍高、化學(xué)組分與一般地幔巖漿不同的“熱點”，例如夏威夷火山等。這些熱點和LLSVP的邊界在空間上有很好的相關(guān)性，因此推測部分火山很可能起源于LLSVP或者直接由CMB上升熱的地幔柱形成。也許凡爾納是對的，確實有一個連接下地幔和地表的管道。這一管道就是地幔柱，但其并不是中空的通道，只是溫度比周圍地幔更高而已。
在CMB上另一類結(jié)構(gòu)是環(huán)太平洋的高速異常，其在空間上和中生代晚期（約150百萬年）以來的俯沖板片有很好的相關(guān)性，因此推測這一高速異常是俯沖到CMB的冷的大洋板片。而這一高速異常和D'不連續(xù)面也有一定的空間對應(yīng)。D'不連續(xù)面的高度通常為200～300千米?？邕^這一不連續(xù)面，橫波波速有1%～3%的跳變。然而D'不連續(xù)面并不是全球存在的。在大尺度上，觀測到在波速較大（冷的）區(qū)域，D'不連續(xù)面較淺；在波速較?。岬模┑膮^(qū)域，該不連續(xù)面更接近CMB或消失。因此，地震學(xué)上推測D'不連續(xù)面和下地幔底部的固態(tài)相變相關(guān)，這也被近期在礦物物理上發(fā)現(xiàn)的從布里基曼石到后鈣鈦礦的相變所證實。凡爾納只寫到地球深部的物質(zhì)上涌到地表，但實際上整個地球是個動態(tài)交換的系統(tǒng)，地球深部的部分物質(zhì)也有可能源自地表。
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除了上述LLSVP與俯沖板片大尺度的異常體之外，通過更細(xì)致的地震波波形模擬工作，發(fā)現(xiàn)D'層區(qū)域存在著更小尺度的異常體。D'不連續(xù)面的高度可能會在橫向100千米的范圍內(nèi)變化超過100千米，就像高山峽谷相伴而生；同樣在LLSVP范圍內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了D'不連續(xù)面，這個結(jié)果很難簡單地用之前提到的固態(tài)相變來解釋。我們也發(fā)現(xiàn)CMB另一類的小尺度異常體：超低速體（ULVZ）。相對于周圍地幔，其橫波波速減低10%～30%，高度5～100千米。盡管ULVZ尺度很小，但由于其物理性質(zhì)的特殊性，因此引起了廣泛關(guān)注。現(xiàn)階段主要認(rèn)為ULVZ可能是由于部分熔融造成，或者由于富鐵礦物所致?？紤]到CMB是一個等溫面，無論ULVZ是哪種成因所致，都代表了D'層內(nèi)存在著很強的化學(xué)成分不均勻性。在更小尺度上，通過對高頻地震波的觀測，發(fā)現(xiàn)在D'層中可能存在更小（千米）尺度上不均勻體。而這表明，在核幔、地球早期結(jié)晶分異和地幔對流的共同作用下，在D'層內(nèi)存在著各種尺度上的化學(xué)成分和熱學(xué)的不均勻。
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D' 層是我們認(rèn)識地球漫長演化歷史和現(xiàn)今過程最重要的窗口。雖然凡爾納的想象似乎與真實的觀測大相徑庭，但我們目前的認(rèn)識仍很有限。地震學(xué)提供了D'層觀測的關(guān)鍵手段，但是一方面受制于天然地震的分布，另一方面受制于地震臺站的分布，需要在不斷提高地震學(xué)的成像手段的基礎(chǔ)上，加強臺網(wǎng)特別是海底地震臺網(wǎng)的建立。大地測量學(xué)、地磁學(xué)也提供了D'層觀測研究的有效手段，與地震學(xué)一起了構(gòu)成了地球深內(nèi)部觀測研究的支柱學(xué)科。綜合地球動力學(xué)、礦物物理學(xué)和地球化學(xué)等多學(xué)科，在不遠(yuǎn)的未來有望建立起一個真正通向認(rèn)識地心的“管道”。
致謝：感謝國家973計劃課題“核幔邊界地形起伏及D'層結(jié)構(gòu)研究”（課題編號：2014CB845901）的支持。
