地幔的异质性可能是月球形成的遗迹
一个跨学科的国际研究小组最近发现，地球内部深处的一个巨大异常现象可能是大约 45 亿年前形成月球的碰撞的残余物。
这项研究不仅为地球内部结构、其长期演化和内部太阳系的形成提供了重要的新见解。
这项研究依赖于中国科学院上海天文台邓红平教授首创的计算流体动力学方法，并于11月2日作为专题封面发表在《自然》杂志上。
月球的形成对于几代科学家来说一直是一个谜。流行的理论表明，在大约 45 亿年前地球生长的后期阶段，原始地球(盖亚)和火星大小的原行星忒伊亚之间发生了一次大规模碰撞，称为“巨大撞击”。据信月球是由这次碰撞产生的碎片形成的。
数值模拟表明，月球可能主要继承了忒伊亚的物质，而盖亚由于质量大得多，只受到了忒亚物质的轻微污染。
由于盖亚和忒伊亚是相对独立的结构，并且由不同的物质组成，因此该理论表明，由忒亚物质主导的月球和由盖亚物质主导的地球应该具有不同的成分。然而，高精度同位素测量后来发现地球和月球的成分非常相似，从而挑战了月球形成的传统理论。
尽管随后提出了各种精细的巨大撞击模型，但它们都面临着挑战。
为了进一步完善月球形成理论，邓教授于2017年开始对月球形成进行研究。他专注于开发一种名为无网格有限质量(MFM)的新计算流体动力学方法，该方法擅长精确模拟湍流和物质混合。
邓教授利用这种新颖的方法，对这次大撞击进行了多次模拟，发现早期地球在撞击后表现出地幔分层现象，上地幔和下地幔具有不同的成分和状态。具体来说，上地幔以岩浆海洋为特色，是通过盖亚和忒伊亚的物质彻底混合而形成的，而下地幔则基本上保持固态并保留了盖亚的物质成分。
“之前的研究过分强调了碎片盘(月球的前身)的结构，而忽视了大碰撞对早期地球的影响，”邓说。
在与苏黎世瑞士联邦理工学院的地球物理学家讨论后，邓教授和合作者意识到，这种地幔分层可能一直持续到今天，对应于中地幔(位于地幔深处约1000公里处)的全球反射体。地球表面)。具体来说，根据邓教授之前的研究，整个地球下地幔可能仍然以撞击前的盖亚物质为主，其元素组成与上地幔不同(包括更高的硅含量)。
“我们的发现挑战了巨大撞击导致早期地球均质化的传统观念，”邓教授说。“相反，形成月球的巨大撞击似乎是早期地幔异质性的起源，并标志着地球 45 亿年地质演化的起点。”
地球地幔异质性的另一个例子是两个异常区域，称为大低速省 (LLVP)，它们在地幔底部延伸数千公里。一个位于非洲板块下方，另一个位于太平洋板块下方。当波穿过这些区域时，波速显着降低。
LLVP 对地幔的演化、超级大陆的分离和聚集以及地球的板块结构具有重要意义。然而，它们的起源仍然是个谜。
加州理工学院的袁谦博士和合作者提出，LLVP可能是由进入盖亚下地幔的少量Theian物质演化而来的。随后，他们邀请邓教授来探索大撞击后地球深处泰亚物质的分布和状态。
通过对之前的大撞击模拟的深入分析以及进行更高精度的新模拟，研究小组发现大量的泰亚地幔物质(约占地球质量的百分之二)进入了盖亚的下地幔。
随后邓教授邀请计算天体物理学家Jacob Kegerreis博士利用传统的平滑粒子流体动力学(SPH)方法证实了这一结论。
研究小组还计算出，这种泰亚地幔物质与月球岩石类似，富含铁，使其比周围的盖亚物质密度更大。结果，它迅速沉入地幔底部，并在长期的地幔对流过程中，形成了两个突出的LLVP区域。这些 LLVP 在 45 亿年的地质演化过程中一直保持稳定(图 1)。
地幔深处的异质性，无论是中地幔反射体还是底部的 LLVP，都表明地球内部远非一个均匀且“无聊”的系统。事实上，少量的深层不均匀性可以通过地幔羽流(地幔对流引起的圆柱形上升热流)带到地表，例如那些可能形成夏威夷和冰岛的地幔羽流。
例如，地球化学家研究冰岛玄武岩样品中稀有气体的同位素比率发现，这些样品含有与典型表面材料不同的成分。这些成分是45亿年前深部地幔异质性的残余物，是了解地球初始状态甚至附近行星形成的关键。
袁博士表示：“通过对更广泛的岩石样本的精确分析，结合更精细的巨型撞击模型和地球演化模型，我们可以推断出原始地球、盖亚和忒伊亚的物质成分和轨道动力学。这使我们能够限制内太阳系形成的整个历史。”
邓教授认为当前的研究具有更广泛的作用：“这项研究甚至为理解太阳系以外的系外行星的形成和宜居性提供了灵感。”
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