地球地幔内部的巨大异常可能是形成月球的碰撞的残余

五毒男孩又

地球深部地幔中的大型低速带可能是Theian地幔物质的遗迹。鸣谢:邓红平和杭州环球工作室

（）据中国科学院：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可能是大约45亿年前形成月球的碰撞的残余。

这项研究不仅对地球的内部结构，而且对其长期演化和内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(邵)邓鸿平教授开创的计算流体力学方法，作为11月2日《自然》杂志的专题封面发表。

对于几代科学家来说，月球的形成一直是个谜。主流理论认为，在大约45亿年前地球增长的后期阶段，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的碰撞，称为“巨大撞击”。月球被认为是由这次碰撞产生的碎片形成的。

数值模拟表明，月球很可能主要从忒伊亚那里继承了物质，而盖亚由于质量大得多，只受到了Theian物质的轻度污染。

由于盖亚和忒伊亚是相对独立的构造，由不同的物质组成，这一理论表明，月球——由忒伊亚物质主导——和地球——由盖亚物质主导——应该有不同的组成。然而，高精度的同位素测量后来揭示了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。

尽管后来提出了各种改进的巨型撞击模型，但它们都面临着挑战。

为了进一步完善月球形成的理论，邓教授于2017年开始对月球的形成进行研究。他专注于开发一种新的计算流体动力学方法，称为无网格有限质量(MFM)，擅长精确模拟湍流和物质混合。

邓教授利用这种新的研究方法，对大规模撞击进行了多次模拟，发现早期地球在撞击后出现地幔分层，上地幔和下地幔具有不同的组成和状态。具体来说，上地幔以岩浆海洋为特色，通过来自盖亚和忒伊亚的物质的彻底混合而形成，而下地幔基本上保持固态，并保留了盖亚的物质组成。

“以前的研究过分强调碎片盘(月球的前身)的结构，而忽略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，邓教授及其合作者认识到，这种地幔分层可能一直持续到今天，与中地幔(位于地球表面下约1000公里处)的全球地震反射体相对应。

具体来说，根据邓教授之前的研究，地球的整个下地幔可能仍然由撞击前的盖安物质所主导，该物质与上地幔具有不同的元素组成(包括更高的硅含量)。

“我们的发现挑战了大撞击导致早期地球同质化的传统观念，”邓教授说。“相反，形成月球的巨大撞击似乎是早期地幔不均匀性的起源，并标志着45亿年来地球地质演化的起点。”

地球地幔不均匀性的另一个例子是两个异常区域——称为大低速区(llvp)——在地幔底部延伸数千公里。一个位于非洲板块之下，另一个位于太平洋板块之下。当地震波穿过这些区域时，波速会显著降低。

LLVPs对地幔的演化、超大陆的分离和聚集以及地球的构造板块结构有着重要的意义。然而，它们的起源仍然是个谜。

来自加州理工学院的钱媛博士和他的合作者提出，LLVPs可能是由少量进入盖亚下地幔的Theian物质演化而来的。随后，他们邀请了邓教授来探索大撞击后地球深部物质的分布和状态。

通过对之前的巨型撞击模拟进行深入分析，并通过进行更高精度的新模拟，研究小组发现大量的Theian地幔物质，约占地球质量的2%，进入了Gaia的下地幔。

邓教授随后邀请计算天体物理学家Jacob Kegerreis博士使用传统的光滑粒子流体动力学(SPH)方法来证实这一结论。

研究小组还计算出，这种与月球岩石类似的Theian地幔物质富含铁，使其密度高于周围的Gaian物质。结果，它迅速沉入地幔底部，并在长期的地幔对流过程中，形成了两个显著的LLVP区。这些LLVPs在45亿年的地质演化中一直保持稳定。

深部地幔的不均匀性，无论是在中地幔反射体还是在底部的LLVPs中，都表明地球内部远不是一个统一的“无聊”的系统。事实上，少量深层的不均匀性可以通过地幔柱带到地表，地幔柱是由地幔对流引起的圆柱形上涌热流，例如可能形成夏威夷和冰岛的地幔柱。

例如，地球化学家在研究冰岛玄武岩样本中稀有气体的同位素比率时发现，这些样本中含有不同于典型地表物质的成分。这些成分是45亿年前地幔深处不均匀性的残余，是理解地球初始状态甚至附近行星形成的关键。

据袁博士介绍，“通过对更大范围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，我们可以推断原始地球、盖亚和的物质组成和轨道动力学。这使我们能够约束内太阳系形成的整个历史。”

邓教授认为当前的研究有更广泛的作用。“这项研究甚至为理解太阳系以外系外行星的形成和可居住性提供了灵感。”