科学探索|地球外核在生锈吗？( 二 ) 地球外核在生锈吗？|

难点在于区分超低速区的地震异常是由地核铁锈引起的，还是由其他原因引起的。例如，通常认为发生在下地幔底部的部分熔融是造成超低速区的原因，而这也可能导致类似于地核铁锈造成的地震波速度降低。
理论上，科学家应该可以用地震断层扫描来区分古登堡界面的地核铁锈与部分熔融。地震断层扫描通常是通过数学反演过程生成的，该过程将计算得到的地震波形与观测到的波形相匹配。反演过程需要确定拟合数据的可能数学解，然后根据其他考虑因素，从这些解中选择一个“最佳”解。
每一个可能的数学解都对应一组与所涉及材料的物理性质相关，但又有明显区别的模型参数，例如铁锈材料的横波、纵波和密度的相对差异，以及该材料周围地幔的平均值。
【科学探索|地球外核在生锈吗？】这些差异可能随地幔中材料含量不同而变化，但每种材料通常都表现出横波与纵波的微分对数比的特征值范围（δlnVs：δlnVp），可以用来在地震断层扫描中区分不同材料。根据矿物物理实验可知，对于所有可能的解释超低速区来源的材料，该比值的下限为1.2：1 ，上限为4.5：1 。在这个范围内，地核铁锈（黄铁矿型FeOOHx）的比值介于1.6：1和2：1之间，与其他材料不同。

文章图片

不同材料的地震波速度比值范围

铁锈起源的证据
到目前为止，地震学家已经在60%的古登堡界面中进行了取样，以寻找超低速区，并已经确定了近50个地震波异常位置，占古登堡界面区域的20% ，这可能代表着超低速区。这些区域大多与地幔最下方的大低剪切速度省（LLSVPs）耦合， δlnVs：δlnVp约为3：1 ，表明存在部分熔融。
然而，其中一些位于太平洋下方LLSVP边缘或外部的区域，其最佳拟合比约为2：1 。例如，位于太平洋LLSVP北部边界（约北纬9度，西经151度）的一个超低速区，以及墨西哥北部（约北纬24度，西经104度）下面的一组超低速区都探测到了表明黄铁矿型FeOOHx存在的δlnVs：δlnVp比值。
这些超低速区的一个共同特点是，它们位于古登堡界面上一个温度相对较低的区域，比LLSVP内的平均温度低几百开尔文。低温表明这些区域不是由熔融机制产生的。值得注意的是，科学家已经确定，墨西哥北部下方的区域是由大约2亿年前沉积到北美洲和中美洲西部的深俯冲遗迹组成的，这表明从俯冲板块释放的水可能已经锈蚀了古登堡界面处的外核。
地核生锈的后果
科学家认为，地球下地幔的主要矿物布氏岩（bridgmanite）几乎不具备储水的能力。然而，地核的锈蚀可能会在古登堡界面形成一个大容量的蓄水池——FeOOHx铁锈可能含有重量分数约7%的水。因为地核铁锈平均比地幔重，这个蓄水池会倾向于停留在古登堡界面。因此，在理论上，水可以被运输并储存在地核外侧，至少在地幔对流将这些水从俯冲板块遗迹附近的较冷区域带走，并使其热不稳定之前是这样。
这些地核附近的水是否会循环回地表，以及在什么时候回到地表，很大程度上取决于地核铁锈的热稳定性。一些科学家在实验工作的基础上，声称FeOOHx在古登堡界面下的压力下，所能承受的最高温度约为2400K 。然而，其他科学家在类似压力下，观察到FeOOHx可以存在于3100至3300K 。但无论FeOOHx能承受多大的最高温度，当地核铁锈随着地幔对流迁移到古登堡界面更热的区域时，很可能会分解为赤铁矿、水和氧气。这一过程为地球大气的氧化历史提供了可能的解释。