图片展示了地球内部的过渡带。利用散射的地震波，普林斯顿地震学家Jessica Irving与她当时的研究生Wenbo Wu以及另一位合作者检查了过渡带（地幔内部的一层结构）顶部和底部的粗糙度。他们发现过渡带的顶部（地下410千米处）大部分是平坦的，但在过渡带的底部（地下660千米），一些地方的粗糙度比全球表面平均值要高得多。“换句话来说，在地下660公里处的边界，存在着比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更为险峻的地势。”Wu说。
注：此图不按比例绘制。
大部分小学生知道地球分为三（或者四）层：地壳、地幔和地核，地核有时又分为内地核和外地核。这没有错，但也确实遗漏了科学家们在地球内部发现的其他几个地层。
在近日发表于《科学》杂志上的一篇研究中，美国普林斯顿地球物理学家Jessica Irving和Wenbo Wu，与来自中国大地测量与地球物理研究所的Sidao Ni合作，利用来自玻利维亚一场大地震的数据，在地下660千米处发现了山脉和其它地形，它们将上地幔和下地幔分隔开。（由于这一层没有正式的名称 ，研究者们简单地将它称为“660千米边界”。）
为了深入地球，科学家们利用了地球上最强的波动，即由大地震产生的波动。大型地震比小型地震要强烈得多——里氏震级每上升一级，地震能量就会增加30倍。而深源地震，“它们的能量不会在地壳消散，相反，它们会让整个地幔运动。” 地球物理学助理教授Irving说。她从震级在7.0级及以上的地震中获得了最好的数据，因为这些地震向所有方向发出的激波可以穿过地核到达地球的另一边，然后又返回。对于此项研究，关键的数据来自一场8.2级地震的震波——那是于1994年震动了玻利维亚，有记录以来的第二大深源地震。
地震学家和数据科学家利用强大的计算机，包括普林斯顿的Tiger超级计算机集群，来模拟地球深处散射波的复杂行为。这项技术基于波动的一个基本性质：它们可以弯折和弹射。就像光波可以在一个镜面前弹射（反射），或者在通过一个棱镜时弯折（折射），地震波穿过均质石块时沿直线传播，但当它们遇到边界或者粗糙面时则会反射或折射。
“我们知道几乎所有物体都有表面粗糙度，因此会散射光线。”Wu说，“正因如此，我们才能看到这些物体——散射波携带了关于表面粗糙度的信息。在这项研究中，我们调查了在地球内部传播的散射地震波，来获得地球660千米边界的粗糙度。”
边界层的粗糙程度令研究者们震惊——比我们居住的表面层还要粗糙。“换句话来说，在地下660公里处的边界，存在着比落基山脉或阿巴拉契亚山脉更为险峻的地势。”Wu说。虽然他们的统计模型不能进行精确的高度测量，但这些山脉可能比地球表面上的任何东西都要巨大。粗糙度也不是均匀分布的；就如同地壳表面有平整的海底和大山，660千米边界也有粗糙的区域和平坦的部分。研究者们同样检查了过渡带顶部（地下410千米），没有发现类似的粗糙度。
在660千米边界上粗糙度的存在对理解我们的行星如何形成以及如何运转具有重大意义。这一层将占地球体积84%的地幔分成了上下两层。地球物理学家对这一层到底有多么重要的争论已经持续了许多年。尤其是，他们研究了热量如何穿过地幔——到底是炙热的岩石从核-幔边界（约地下2000英里）被一路携带到地幔顶部，抑或是这种传输在这一层被打断。一些地球化学和矿物学证据表明，上地幔和下地幔在化学组成上是不同的，这就支持了地幔的两个部分不会在热或物理层面混合的观点。其他观测则表明，上下两层地幔之间没有化学差异，这让一些人争论所谓的“均匀混合的地幔”，即上地幔和下地幔都参与了同一个热传输循环。
“我们的发现对这一问题提出了见解。”Wu说。他们的数据表明，两种观点可能都对了一部分。660千米边界上较平坦的区域可能是更彻底的垂直混合造成的，而较粗糙的山区可能是在上地幔和下地幔没有混合的位置上形成的。
此外，研究者们发现的在大尺度、中等尺度和小尺度上均存在的粗糙在理论上可能是由于热异常或化学不均匀造成的。但Wu解释说，由于热量在地幔中的传输过程，任何小尺度的热异常在一百万年里都会被抹去。这就只有化学差异能解释他们发现的小尺度粗糙。
什么可能造成显著的化学差异呢？是曾经属于地壳，如今安静地待在地幔中的石头。长期以来，科学家一直在讨论海底板块的命运，这些板块在俯冲带被推入地幔，发生的碰撞在太平洋周围和世界其他地方都能找到。Wu和Irving提出，这些板块的残余现在可能就在660千米边界上下。
“鉴于我们只能检测穿过当前状态下的地球的地震波，很容易假设，地震学家们无法理解地球内部在过去45亿年中的变化。” Irving说，“这些结果中令人兴奋的是，它们为我们提供了新的信息，以便了解古代构造板块的命运，这些板块已经下沉到地幔中，并且古代地幔物质可能仍然存在于其上。”
她补充道：“当地震学让我们在空间和时间上更好地了解我们星球的内部时，地震学最为令人兴奋。”
编译：李华
责编：南熙
