地下2900千米深處的異常信號

核幔邊界（core-mantle boundary, CMB）是地球內(nèi)部極其重要的區(qū)域。流體外核和固體下地幔之間的相互作用，直接影響到地球的熱量傳輸、地磁場變化以及深部動力學過程。但是，一直以來，科學家對于核幔邊界是如何隨時間演化的仍知之甚少。

在一項新發(fā)表于《地球物理研究快報》的研究中，一個研究團隊基于GRACE（重力測量和氣候?qū)嶒灒?strong>衛(wèi)星的觀測，發(fā)現(xiàn)大約20年前，在距離地表數(shù)千公里、靠近地核的物質(zhì)，曾經(jīng)歷過一次神秘的變化。而這一變化可能源于核幔邊界附近部分巖石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使其密度增加。

這一發(fā)現(xiàn)之所以成為可能，是因為這類地質(zhì)變化會改變地球的重力場。而GRACE衛(wèi)星可以探測到這種變化。

探測重力的衛(wèi)星

GRACE衛(wèi)星于2002至2017年間繞地球運行，由兩顆一前一后、相隔約220千米飛行的衛(wèi)星構(gòu)成。這個衛(wèi)星系統(tǒng)能探測到小于每秒1微米的相對速度變化，通過監(jiān)測兩顆衛(wèi)星之間的距離變化，就可以推算重力。

（圖/NASA）

當GRACE衛(wèi)星飛過像高大山脈這樣的巨大質(zhì)量體時，前方的衛(wèi)星會先感受到額外重力的作用并加速，從而稍微拉開與后方衛(wèi)星的距離。這種細微變化可以被精確測量，并與重力的變化對應(yīng)起來。利用GRACE衛(wèi)星間距的變化，并結(jié)合其他觀測模型，科學家可以監(jiān)測地球表面水體的分布、冰蓋的質(zhì)量損失、海底壓力的波動以及海平面的升降。

然而，GRACE的探測能力遠不止于此。此前，地球物理學家Isabelle Panet就曾利用GRACE的探測數(shù)據(jù)，捕捉到大地震之前發(fā)生在數(shù)百千米深處的質(zhì)量變化。這讓她意識到，這對衛(wèi)星或許能探測到更深的層次——深入到接近2900千米深處的核地幔邊界。

2007年東大西洋的異常信號

于是，她與研究團隊查閱了GRACE衛(wèi)星在2003–2015 年間的數(shù)據(jù)，分析了地球重力場在時空上的變化，尋找大尺度的“瞬態(tài)（短期）重力變化”信號。

在這些數(shù)據(jù)中，他們發(fā)現(xiàn)了一個異常信號：在2007年1月左右，東大西洋出現(xiàn)了一個異常的南北方向的重力信號，這個信號在幾個月到幾年內(nèi)發(fā)生了變化。

經(jīng)過排查，他們發(fā)現(xiàn)這一信號無法僅用地表水體質(zhì)量變化來解釋。而是可能來自更深的地方，至少有一部分必須源自地幔最底部，即位于核幔邊界處。

地幔深處的礦物變身假說

研究人員聯(lián)想到，就在這種重力異常出現(xiàn)的同一時期，曾有科學家利用觀測地球磁場變化的衛(wèi)星，探測到2007年左右在同一區(qū)域發(fā)生的一些地磁擾動。

因此，研究人員認為，最新的重力異常信號，或許能與之前對磁場變化的觀測聯(lián)系在一起，形成一個連貫的解釋。

在這種假設(shè)下，研究團隊提出，這一信號可能與地幔底部的一種礦物變化有關(guān)：即那里的鈣鈦礦在地球深處的巨大壓力下發(fā)生了結(jié)構(gòu)重排，轉(zhuǎn)變?yōu)楹筲}鈦礦相。這一轉(zhuǎn)變又會反過來導致這一區(qū)域的巖石密度增大、質(zhì)量增加。

隨后，鄰近巖石的位置發(fā)生了輕微移動，質(zhì)量被重新分布。這種變化逐漸擴散，最終可能影響到核幔邊界，使其形狀在大約2年的時間里發(fā)生了“分米級”的起伏。核幔邊界上哪怕出現(xiàn)如此細微的變化，也可能改變地核中的液體流動，并以奇異的磁場信號表現(xiàn)出來。

地球動力學的線索

這是一項利用衛(wèi)星探測的重力和磁場數(shù)據(jù)，間接捕捉地幔深部動力學的研究。它的核心結(jié)論是，地球深處的質(zhì)量重新分布，可能會在幾年內(nèi)引起可測量的重力和地磁變化。

這項研究將有助于科學家更深入地理解地球各層之間的聯(lián)系——從脆弱的地殼，到堅固的地幔，再到部分液態(tài)的地核。這些層之間的相互作用，不僅關(guān)系到大地震的起源，也決定著地球如何維持磁場，從而抵御太陽風暴等外部威脅。

不過，研究人員表示，他們給出的解釋仍然只是推測，還需要更多研究來加以驗證。目前，研究人員在衛(wèi)星數(shù)據(jù)中尚未發(fā)現(xiàn)除2007年以外的其他大規(guī)模重力異常。但他們計劃持續(xù)監(jiān)測 GRACE的后續(xù)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，以便探尋地球深處是否還存在其他神秘的變化。

##參考來源：

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03007-6

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL116408

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA