地球局部質(zhì)量異常：地底深層物質(zhì)運動成關(guān)鍵誘因

回望地球物理學(xué)進展，2007年大西洋東部的重力異常事件仍令人震撼。經(jīng)歷史數(shù)據(jù)深度挖掘，彼時這里的重力場曾出現(xiàn)短暫劇烈波動，打破了地球內(nèi)部“死寂”的傳統(tǒng)認知，將視線引向3000公里深的核幔邊界。這究竟是儀器誤判，還是地心正發(fā)生未知物質(zhì)交換？

一場跨越7000公里的重力異常

故事的起因要追溯到美國國家航空航天局（NASA）與德國航空航天中心（DLR）聯(lián)合執(zhí)行的“重力恢復(fù)與氣候?qū)嶒灐比蝿?wù)。

這項任務(wù)由兩顆在同一軌道上一前一后飛行的衛(wèi)星組成，它們通過微波測距系統(tǒng)，精確測量彼此之間微米級的距離變化。當衛(wèi)星飛過重力較強的區(qū)域時，前一顆衛(wèi)星會被加速拉開，反之則會靠近。通過這種極其靈敏的距離變化，科學(xué)家們能夠繪制出全球重力場的時變地圖。

在很長一段時間里，GRACE衛(wèi)星的主要任務(wù)是監(jiān)測地表水的循環(huán)，比如冰蓋融化、海平面上升以及地下水儲量的變化。

然而，當法國巴黎城市大學(xué)的地球物理學(xué)家夏洛特·高涅·古蘭頓及其團隊重新梳理2002年至2017年的數(shù)據(jù)時，他們在2007年的記錄中發(fā)現(xiàn)了一個無法忽視的“幽靈信號”。

數(shù)據(jù)顯示，在大西洋東部與非洲大陸交界的區(qū)域，出現(xiàn)了一個覆蓋范圍長達7000公里的重力異常帶。具體表現(xiàn)為一種顯著的偶極子模式：一個區(qū)域的重力突然增強，而緊鄰的區(qū)域重力減弱。這種變化在2007年1月達到頂峰，隨后又逐漸恢復(fù)平靜。

對于精密科學(xué)而言，數(shù)據(jù)的異常往往意味著新發(fā)現(xiàn)的開端。但讓研究團隊感到困惑的是，這個信號的尺度實在太大了，且發(fā)生的時間窗口相對較短。

在地球物理學(xué)中，通常只有地表的流體（如水和大氣）才能在短時間內(nèi)產(chǎn)生如此劇烈的質(zhì)量遷移。于是，一個自然而然的問題擺在了所有人面前：這難道是某次未被記錄的超級洪水或洋流異動嗎？

地表水無法解釋的“質(zhì)量黑洞”

為了驗證“水文成因”的假設(shè)，研究團隊調(diào)取了當時全球所有的水文模型。他們詳細計算了亞馬遜河流域的降雨與徑流、大西洋的溫鹽環(huán)流變化，甚至是兩極冰蓋的融化對該區(qū)域可能產(chǎn)生的影響。

然而，計算結(jié)果令人失望。模型顯示，要想在太空中制造出GRACE衛(wèi)星觀測到的那種級別的重力波動，所需的水體質(zhì)量遷移量是驚人的。

即便是假設(shè)當時發(fā)生了一場覆蓋整個南美洲和非洲大陸的極端水文事件，或者大西洋洋流發(fā)生了完全違背物理規(guī)律的逆轉(zhuǎn)，其產(chǎn)生的重力效應(yīng)也遠遠填補不了觀測數(shù)據(jù)中的“缺口”。

不僅在量級上對不上，在時間和空間分布上，水文模型也與衛(wèi)星數(shù)據(jù)大相徑庭。地表水的流動通常具有季節(jié)性，且邊界相對模糊，而此次觀測到的重力異常信號邊界清晰，且與已知的氣候事件沒有任何相關(guān)性。

當排除了所有可能的地表因素后，剩下的解釋雖然聽起來不可思議，但卻成為了唯一的可能：這次巨大的質(zhì)量重新分布，源自地球的固體內(nèi)部——而且是極深的地方。

這里有一個關(guān)鍵的佐證。就在重力異常發(fā)生的同一時期，地磁監(jiān)測衛(wèi)星也在該區(qū)域記錄到了一次“地磁急變”。

地磁場源自地球液態(tài)外核的對流運動，地磁的突然抖動通常意味著地核動力學(xué)發(fā)生了突變。重力異常與地磁急變在時空上的高度重合，直接將線索指向了地幔的最底部——核幔邊界。

來自地底3000公里的相變

核幔邊界位于地下約2900公里處，是固態(tài)地幔與液態(tài)外核的交界線。這里的環(huán)境極端惡劣，壓力超過130萬個大氣壓，溫度高達數(shù)千攝氏度。正是這種極端環(huán)境，導(dǎo)演了2007年的那場重力風(fēng)暴。

研究指出，這一異常現(xiàn)象的罪魁禍首，極可能是一種名為“布里奇曼石”的礦物。它是地球下地幔中含量最豐富的礦物，占據(jù)了地球體積的相當一部分。在常規(guī)的下地幔環(huán)境下，布里奇曼石呈現(xiàn)出鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。但是，當它沉降到核幔邊界，面對更高的溫度和壓力時，會發(fā)生一種奇妙的物理變化——相變。

晶體結(jié)構(gòu)從“鈣鈦礦結(jié)構(gòu)”轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮橹旅艿摹昂筲}鈦礦結(jié)構(gòu)”。這一過程會導(dǎo)致礦物的密度顯著增加。

更為激進的觀點認為，這次異常可能與地幔底部的“大型低剪切波速省”有關(guān)。這是兩個位于地核上方的巨大巖石團塊，一個在非洲下面，一個在太平洋下面。

2007年的重力異常恰好發(fā)生在非洲LLSVP的邊緣。這暗示著，這些深部的熱化學(xué)這一結(jié)構(gòu)并非靜止不動的“化石”，它們正在經(jīng)歷著活躍的動力學(xué)過程，甚至能在短短一年內(nèi)引發(fā)可被衛(wèi)星感知的質(zhì)量遷移。

解構(gòu)地幔流動的物理法則

要理解深部物質(zhì)如何流動并影響地表重力，我們必須搞清楚地幔的“粘度”——也就是它到底有多“稠”。在這方面，中國科學(xué)家在2025年取得了突破性進展。

中國科學(xué)院海洋研究所的楊安助理研究員及其合作團隊，將目光投向了太平洋。他們利用高精度的衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，對太平洋5000公里范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了“CT掃描”。

這項發(fā)表在《地球與行星科學(xué)通訊》上的研究，揭示了地幔動力學(xué)與地表地形之間的微妙關(guān)系。

研究發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換波長：600公里。對于波長小于600公里的地形（如普通海山），其重力異常主要由巖石圈的彈性彎曲（撓曲均衡）來支撐；而對于波長大于600公里的宏觀地形，起主導(dǎo)作用的則是地幔深部的對流動力學(xué)。

更為重要的是，該研究通過數(shù)值模擬，精確約束了地幔的粘度結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，位于巖石圈下方的軟流圈，其粘度比下地幔小約600倍，比地幔過渡帶小約20倍。這意味著軟流圈極其“柔軟”且易于流動。

這一發(fā)現(xiàn)為大西洋的重力異常提供了堅實的物理基礎(chǔ)。中國科學(xué)家的研究證明，地幔并非鐵板一塊，軟流圈的低粘度特性允許物質(zhì)進行相對快速的流動。這種流變學(xué)特征，使得深部的質(zhì)量擾動能夠通過地幔對流，以我們意想不到的速度傳遞影響，最終在地球重力場上留下痕跡。

地球深部動力學(xué)的新圖景

綜合GRACE衛(wèi)星的觀測與中外科學(xué)家的理論模型，一幅全新的地球內(nèi)部圖景正在徐徐展開。

過去，地質(zhì)學(xué)界普遍認為，地球深部的演化是以百萬年為尺度的漫長過程。板塊漂移、地幔對流都被視為極其緩慢的地質(zhì)運動。然而，2007年的大西洋重力異常事件，以及隨后的研究表明，地球深部可能比我們想象的要活躍得多。

這一系列發(fā)現(xiàn)對于人類理解地球的演化至關(guān)重要。如果我們承認地幔深部存在快速的質(zhì)量遷移，那么現(xiàn)有的地球動力學(xué)模型就需要修正。

這不僅關(guān)系到我們對地震、火山等災(zāi)害成因的理解，也關(guān)系到我們對地球磁場長期演化的預(yù)測——畢竟，磁場是保護地球生命免受太陽風(fēng)暴侵害的屏障。

隨著技術(shù)的進步，未來的地球觀測將不再是單一手段的單打獨斗。中國的“天琴計劃”、“太極計劃”等引力波探測項目，以及新一代的重力衛(wèi)星，將與地震波成像、地磁監(jiān)測形成合力。我們將擁有更靈敏的耳朵和更銳利的眼睛，去捕捉來自地底深處的每一次微小波動。

2007年的那次重力異常，就像是地球深處發(fā)出的一個信號，提醒著生活在地表的人類：我們腳下這顆星球，并非是一個沉睡的巖石球體，而是一個充滿活力、時刻變化著的復(fù)雜生命體。那些深埋在3000公里地下的巖石，正在以一種宏大而神秘的方式，影響著我們頭頂?shù)囊痛艌觥?/p>