一颗古老行星的遗迹位于地球深处

20 世纪 80 年代，地球物理学家做出了一项惊人的发现：在地心附近深处发现了两个大陆大小的不寻常物质团，一个位于非洲大陆下方，一个位于太平洋下方。每个斑点的大小是月球的两倍，并且可能由与其周围地幔不同比例的元素组成。

这些奇怪的斑点——正式名称为大型低速​​省 (LLVP)——从何而来?加州理工学院研究人员领导的一项新研究表明，它们是一颗古老行星的残余物，数十亿年前，这颗行星与地球发生了猛烈的碰撞，就像 创造了月球的巨大撞击一样。

这项研究于 11 月 1 日发表在《自然》杂志上 ，还为另一个行星科学谜团提出了答案。研究人员长期以来一直假设月球是在地球与一颗名为忒伊亚的较小行星发生巨大撞击后形成的，但在小行星带或陨石中从未发现过忒伊亚的踪迹。这项新研究表明，大部分忒伊亚被吸收到年轻的地球中，形成了LLVP，而撞击产生的残留碎片则合并到了月球上。

该研究由 OK Earl 博士后学者、研究员 Paul Asimow(MS '93，PhD '97)、Eleanor 和 John R. McMillan 地质学和地球化学教授实验室的 Yuan Yuan 领导。迈克尔·古尼斯 (Michael Gurnis) 是约翰·E·斯密茨 (John E. And Hazel S. Smits) 地球物理学教授、克拉伦斯·R·艾伦 (Clarence R. Allen) 领导主席、加州理工学院实验室主任、加州理工学院施密特软件工程学院院长。

科学家首先通过测量穿过地球的波发现了 LLVP。波以不同的速度穿过不同的材料，在 20 世纪 80 年代，地球结构深处出现了大规模三维变化的第一个迹象。在地幔最深处，波模式主要是地核附近两个大型结构的特征，研究人员认为这两个结构的铁含量异常高。这种高铁含量意味着这些地区比周围地区密度更大，导致穿过这些地区的波减慢，并被称为“大型低速省”。

袁征是一名地球物理学家，2019 年，他正在参加亚利桑那州立大学教授米哈伊尔·佐洛托夫 (Mikhail Zolotov) 举办的关于行星形成的研讨会。佐洛托夫提出了大撞击假说，而钱则指出，月球的铁含量相对丰富。佐洛托夫补充说，没有发现与地球相撞的撞击物的痕迹。

“就在米哈伊尔说没人知道撞击体现在在哪里之后，我突然灵光一现，意识到富含铁的撞击体可能已经转变成地幔斑点，”袁说。

袁与多学科合作者合作，对忒伊亚的化学成分及其对地球的影响的不同场景进行了建模。模拟证实，碰撞的物理原理可能导致了 LLVP 和月球的形成。忒伊亚的一些地幔可能已经融入了地球的地幔中，最终聚集并结晶在一起，形成了今天在地球核心-地幔边界处可检测到的两个不同的斑点;碰撞产生的其他碎片混合在一起形成了月球。

考虑到如此猛烈的撞击，为什么忒伊亚的物质会聚集成两个不同的斑点，而不是与正在形成的行星的其余部分混合在一起?研究人员的模拟显示，忒伊亚撞击所传递的大部分能量仍保留在地幔的上半部，使得地球下地幔的温度比早期低分辨率撞击模型估计的温度要低。由于下地幔并未因撞击而完全融化，来自忒伊亚的富含铁的物质团在落入地幔底部时基本保持完整，就像关闭的熔岩灯中的彩色石蜡块一样。如果下地幔温度更高(也就是说，如果它从撞击中接收到更多能量)，它就会与富含铁的物质混合得更彻底，就像一锅搅拌的油漆中的颜色一样。

接下来的步骤是研究地球深处早期存在的忒伊亚异质物质如何影响我们星球的内部过程，例如板块构造。

阿西莫说：“LLVP 是忒伊亚遗迹这一观点的一个逻辑推论是它们非常古老。” “因此，下一步研究它们对地球最早的演化产生了什么后果是有意义的，例如在条件适合现代板块构造之前开始俯冲、第一批大陆的形成以及最古老大陆的起源幸存的陆地矿物。”

这篇论文的标题是“月球形成撞击体是地球基底地幔异常的根源”。钱源为第一作者。除了袁和阿西莫之外，加州理工学院的另一位合著者是宫崎吉典(Yoshinori Miyazaki)，他是斯坦巴克比较行星演化博士后研究员。其他合著者包括亚利桑那州立大学 (ASU) 的 Mingming Li、Steven Desch 和 Edward Garnero(博士 '94);亚利桑那州立大学和密歇根州立大学的 Byingkwan Ko;邓红平，中国科学院院士;美国地质调查局的特拉维斯·加布里埃尔 (Travis Gabriel);美国宇航局艾姆斯研究中心的 Jacob Kegerreis;和杜伦大学的文森特·埃克。资金由美国国家科学基金会、加州理工学院 OK Earl 博士后奖学金、美国地质调查局、美国宇航局和加州理工学院比较行星演化中心提供。

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