地球的地表下有很多事情发生，即使是在曾经似乎最不起眼的一层。
地幔是地球薄壳和熔融核心之间的一个区域，由2900公里的大部分固体岩石组成，其稠度就像增稠的焦糖一样，科学家们长期以来一直假设它是均匀混合的。但是，已经发现大量未混合的区域徘徊在地幔中，就像饼干中的巧克力块一样，新的发现才刚刚开始揭示它们的秘密。
在这些神秘的地幔块中，有两个巨大的“超级大陆”埋在地壳下方数千公里处，位于古代构造板块的遗迹中。一个超级大陆位于非洲下方，另一个位于太平洋深处。研究人员最近使用一种新方法来分析地震数据，发现了有关这些广阔岛屿地区以前未知的细节，揭示了它们可能作为我们星球地幔的锚，并且它们可能比以前认为的要古老得多。
这一发现增加了越来越多的证据表明，岩石地幔并不像以前认为的那样受到地球内部搅动的搅动。科学家们于1月22日在《自然》杂志上报告说，隐藏的结构或未混合物质的口袋，例如这些超大陆，可能会以尚不清楚的方式塑造地幔活动，包括板块运动。
“这些发现将有助于更好地了解地幔对流和板块构造，从而有助于更好地了解我们在地表经历的现象，如地震和火山活动，”亚利桑那州立大学地球与空间探索学院的博士生克莱尔·理查森 （Claire Richardson） 说，她没有参与这项新研究。
“在极端温度和压力下，解决我们脚下约3000公里岩石的物理、热和化学特性，至少可以说是一个具有挑战性的问题，”理查森在一封电子邮件中说。“悬而未决的问题比比皆是，每一项新研究都让我们更接近了解那里的真实情况。”
研究人员在大约50年前首次发现了地下超级大陆，当时它们在地震产生的地震数据中作为异常出现，其强度足以在整个地球上产生回响。当地震波遇到地幔中不寻常的结构时，波速的变化为地震学家提供了有关地球深处内部的线索。
几十年来，地震数据显示，这些超大陆约占地幔核心边界的20%。每个埋藏的岛屿都覆盖数十万英里，在某些地方它们耸立近965公里。然而，这项新研究的主要作者、荷兰乌得勒支大学（Utrecht University）地球科学和地震学研究员苏亚尼亚·塔拉韦拉-索扎（Sujania Talavera-Soza）博士说，人们对它们是由什么组成的、何时下沉以及它们在地幔流（称为对流）中可能发挥的作用知之甚少。
“它们的起源以及它们是否是长寿的结构——这是广泛的争论，”塔拉韦拉-索扎说。
早期的研究集中在地震波的速度上，表明波速在到达超大陆时减慢了约2%。地震波的这种减慢导致地质学家将这些地区命名为大型低剪切速度省份（LLSVP）。
索扎说，地震波中的速度损失表明，这些地幔区比它们周围的岩石更热。但尚不清楚LLSVP是否与附近地区在结构上有所不同。科学家们还不确定这些超大陆是否积极参与了对流，或者它们是否是“那种密集的堆积物，只会坐在那里”，该研究的合著者、乌得勒支大学（Utrecht University）地球深层内部结构和成分教授阿尔文·德乌斯（Arwen Deuss）博士说。
“没有这方面的信息，”德乌斯说，“我们只知道地震波减慢了。”
在这项新研究中，作者使用了一种不同的方法来研究LLSVPs，看看他们是否可以梳理出有关区域组成和活动的细节。他们观察了地震信号穿过地幔时的衰减或强度，以了解地震产生的振动损失了多少能量。
德乌斯说，在音乐中，衰减相当于阻尼音调，后者会产生较低的音量。检查波的衰减以及波速的变化可以提供以前看不见的有关 LLSVP 构成的线索。索扎说，最好的数据来自7.8级或更高级别的地震产生的波。
众所周知，波速和能量损失会受到矿物颗粒大小和温度的影响，因此作者使用了将地震学和矿物物理学联系起来的物理模型。当波遇到由较小颗粒制成的材料时，它们的阻尼更大。如果许多颗粒堆积在一起，则颗粒之间会有更多的边界可以消耗波的能量。
其他研究表明，超大陆在深地幔中有同伴。德乌斯说，他们周围是沉没的构造板块的“板状墓地”。它们比LLSVP更凉爽，因此地震波通过它们的速度更快。
然而，新模型表明，虽然地震波在到达LLSVP时速度下降，但地震波并没有损失太多能量。相比之下，LLSVP周围较冷的墓地之间存在显着的阻尼。
研究人员认为，这些差异归结为结构的相对年龄。数百万年来，当岩石物质通过上下地幔之间的边界下降时，矿物晶体被压缩并重组成更微小的颗粒，然后随着时间的推移而重新生长。因此，较年轻的区域具有较小的晶体，它们从地震波中吸收更多的能量，因此一个区域的阻尼量暗示了它的年龄。
“LLSVP显示出非常小的阻尼这一事实意味着它们必须由比周围环境大得多的颗粒组成，”索扎说。根据这项研究，较大的矿物颗粒表明，超大陆比它们周围的构造墓地要古老得多，因为它们的颗粒肯定有更多的时间来生长。更大的构建块也会使超大陆更加坚硬，使它们与地幔对流或由于传热而在该层中的材料移动分开。
“我们的研究表明，LLSVP是长寿特征，至少有五亿年的历史，甚至可能更古老，”索扎说，“这意味着它们在地核-地幔边界的底部充当锚点，并且在地幔对流中幸存下来，这意味着地幔没有很好地混合。”
这一发现是在最近发现的另一项关于更多“沉没世界”的启示之后，这些世界与混合地幔的概念相矛盾。构造墓地中埋藏的板块往往与地球的俯冲带对齐堆积，俯冲带是两个板块边缘相交的区域，也是一个板块在另一个板块下方滑动的区域。但今年早些时候，另一组科学家在大陆内部和海洋下方的位置发现了远离这些边界的沉没构造板块，这些地方以前从未发现过沉没板块。
“显然，地幔中的这些区域比以前认为的要广泛得多，”该调查的主要作者、瑞士联邦理工学院苏黎世联邦理工学院地质研究所的研究员托马斯·斯豪滕在一份声明中说。
博士生理查森说，这项新研究中的模型是整个地幔的第一个3D衰减模型，将帮助地震学家更好地了解地球表面以下数千公里处的情况。
“它绘制了地球上削弱地震能量的区域，最终影响许多地震学家用来了解地球内部其他物理和化学特性的测量，”她说。
德乌斯说，这些发现可能会改变研究人员对板块构造的理解，以及这些古老的固定锚如何塑造地核附近的板块运动。对超大陆的进一步分析还可以揭示它们是否是地球化学元素的来源，这些元素几乎与地球本身一样古老，这些元素在某些类型的火山的熔岩中被发现。
“这些LLSVP已经存在了很长时间——如果它们已经存在了10亿年，它们也可能已经存在了40亿年。它们很可能是这些化学原始元素所在的隐藏库。我们现在无法证明这一点，但地球化学家可以对此进行调查，“德乌斯说。
“从这项研究中，我认为会有很多额外的研究，可能会回答许多多年来一直困扰科学家的悬而未决的问题。”
