科学家发现地震波异常加速原因

 参考消息网6月29日报道 美国《大众机械》月刊网站6月24日刊登题为《你脚下1700英里处正在发生奇怪的事情；现在我们知道原因了》的文章，内容编译如下：

地球的深处是土壤层、通常嵌有化石的岩层、汩汩作响的岩浆，还有——请稍等。在你的“地心之旅”任务取得进一步进展之前，你必须突破坚固的岩石流。

几十年来，位于上方岩浆层和下方外核液态岩石层之间的地球D层一直困扰着科学家们。这在一定程度上是因为，如果向下冲至2700公里(约1700英里)处，当地震波遇到D层边界骤然加速时，定会吓你一跳。过去以为，造成这种现象的原因是：在下地幔中发现的钙钛矿在D层附近变成一种被称为后钙钛矿的形式。但是，这仍不足以解释这一现象。

地球科学家村上元彦希望探究可能是什么原因导致了被称为D层间断面的地震波异常加速的现象。由于长途跋涉到D层所处的核幔边界显然是不可能的，因此他带领来自瑞士和日本的研究小组进行了实验室测试和计算机模拟，以探明后钙钛矿与地震波异常加速之间的关联。

后钙钛矿晶体各向异性意味着：从不同方向测量时，它们的物理性质不同。它们有两种不同类型的纹理——一种来自于转化(从钙钛矿到后钙钛矿的相变)，另一种是变形的结果(当后钙钛矿晶体转向同一方向时)。村上元彦及其团队发现，造成这个现象的不仅仅是变形，实际上它是伴随着变形发生的。

村上元彦最近发表在英国《通讯-地球与环境》杂志上的一篇研究论文说：“变形诱发的纹理是在晶体发生塑性变形时形成的，导致其取向沿特定方向排列。它主要是由位错滑移或蠕变机制产生的。”

后钙钛矿晶体的排列方式决定了它们的硬度，而地震波穿过它们的速度取决于它们的硬度。钙钛矿这种材料可以由任何能够排列成相同立方晶体结构的物质制成。钙钛矿是一种钙钛氧化物矿物(钛酸钙)，而后钙钛矿是一种在极高压力下形成的硅酸镁。其晶体结构是正交的，这意味着立方体的直角具有不相等的轴。

要让后钙钛矿晶体相互排列对齐，所有晶轴必须处于相同的位置。

村上元彦用锗酸镁制成类似后钙钛矿的晶体。像钙钛矿一样，锗酸镁晶体在受到压力时也容易发生变形，因此其行为方式可以反映地下1000多英里处正在发生的情况。这些晶体经过激光加热、压缩和再加热，合成为后钙钛矿。然后将它们暴露在高压声波中；声波穿过这些晶体时就能测量到声波的速度。

实验证明，声波在穿过排列整齐的后钙钛矿晶体时，速度会大幅提高。研究人员还发现，形成这种排列的原因(它决定着材料的硬度，因而决定着实验室声波和地球深处地震波的速度)是对流。随着较热的物质上升，较冷的物质就下沉，就像飓风对流风暴一样。

村上元彦认为，地幔中物质的对流(如地幔柱上升和板块下沉)导致了D层的变形。这是第一次发现地球内部运动的证据——即使是基于实验室的证据。

他说：“虽然以前的理论研究表明，各向异性可以解释观测到的地震波速间断面，但是我们的实验结果是通过对高压下原位测量后钙钛矿速度获得的，代表了这一假说的实验验证，弥合了理论与观察之间的差距。”（编译/郑国仪）