幾十年來，科學家們一直對地球地幔中兩個巨大的神秘斑點感到困惑。這些岩層長達數千公里，並且比周圍環境略微稠密，暗示它們是由與地幔其餘部分不同的物質構成的。
新的計算機模型為這些奇異斑點提供了一個戲劇性的起源故事：它們是45億年前早期地球與另一顆年輕行星之間發生的一次巨大碰撞的產物——據信是形成月球的同一次碰撞。該模型表明，這次劇烈的遭遇導致來自撞擊天體（名為忒伊亞）的物質嵌入到地球地幔的下半部分。這次碰撞還導致忒伊亞的一些殘餘物被拋入軌道；這些殘餘物最終聚結成了月球。
西南研究院（位於科羅拉多州博爾德市）的行星科學家羅賓·卡努普說，地幔異常是忒伊亞殘餘物的想法並不新鮮。“但在我看來，這篇論文是第一個真正認真對待這個概念的，”她說。
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這項研究今天發表在《自然》雜誌上。
宇宙碰撞
年輕的地球與一顆較小的原行星之間的巨大碰撞長期以來一直是月球形成的主流理論。這種起源可以解釋月球缺乏許多揮發性化合物等特徵，這些化合物會在與地球的碰撞過程中汽化。
如此巨大的撞擊發生在地球早期發展階段，應該會留下一些痕跡。袁和他的同事想知道，這些痕跡是否可能包括地球地幔中的奇異區域——地殼和地核之間的層。科學家們稱這些構造為大型低速省份，因為地震波在其中傳播的速度比在地幔其餘部分傳播的速度慢。
研究人員對忒伊亞地幔與地球地幔之間從碰撞發生到現在的相互作用進行了計算機模擬。結果表明，來自忒伊亞的一些物質最初沉入到地球地幔的底部，隨著時間的推移，更多的忒伊亞物質在那裡堆積起來，形成了斑點。作者在2021年的一次行星科學會議上報告了這些結果。
在他們最新的工作中，作者擴充套件了他們的模型。他們發現，行星撞擊的能量會部分熔化地球地幔，然後地球地幔將具有兩層：熔融的頂部和大部分固體的底部。
上層熔融層會將一些忒伊亞物質旋入地球物質中。但其他忒伊亞物質會穿過地幔的熔融部分沉入，並嵌入到下層。最終，它會形成兩個獨立的斑點。與此同時，其他忒伊亞物質被髮射到軌道並形成了月球。
比較地幔和月球
卡努普說，該模型並不是地幔異常是忒伊亞殘餘物的確鑿證據，但袁和他的同事“提出了一個可以認真對待[這種情況]的理由”。“這不僅僅是一個隨意的想法，這有點像我之前認為[它]是的那樣。”下一步將是透過比較來自地幔和月球的一些岩石樣本來驗證模型。
倫敦大學學院的地球動力學家馬克西姆·巴爾默不確定地幔異常的這個想法是否站得住腳。“該模型‘肯定需要進行測試’，”巴爾默說。“但我確實認為這是一個值得追求的想法。”
袁希望這項研究和後續研究能夠闡明是什麼使地球如此獨特——可能包括與忒伊亞的碰撞等因素。他說，這項研究表明，“這次巨大的撞擊[在]地球中產生了一些可以持續數十億年的異質性。”
本文經許可轉載，並於2023年11月1日首次發表。