几十年来，科学家们一直对地球地幔中两个巨大的神秘斑点感到困惑。这些岩层长达数千公里，并且比周围环境略微稠密，暗示它们是由与地幔其余部分不同的物质构成的。
新的计算机模型为这些奇异斑点提供了一个戏剧性的起源故事：它们是45亿年前早期地球与另一颗年轻行星之间发生的一次巨大碰撞的产物——据信是形成月球的同一次碰撞。该模型表明，这次剧烈的遭遇导致来自撞击天体（名为忒伊亚）的物质嵌入到地球地幔的下半部分。这次碰撞还导致忒伊亚的一些残余物被抛入轨道；这些残余物最终聚结成了月球。
西南研究院（位于科罗拉多州博尔德市）的行星科学家罗宾·卡努普说，地幔异常是忒伊亚残余物的想法并不新鲜。“但在我看来，这篇论文是第一个真正认真对待这个概念的，”她说。
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这项研究今天发表在《自然》杂志上。
宇宙碰撞
年轻的地球与一颗较小的原行星之间的巨大碰撞长期以来一直是月球形成的主流理论。这种起源可以解释月球缺乏许多挥发性化合物等特征，这些化合物会在与地球的碰撞过程中汽化。
如此巨大的撞击发生在地球早期发展阶段，应该会留下一些痕迹。袁和他的同事想知道，这些痕迹是否可能包括地球地幔中的奇异区域——地壳和地核之间的层。科学家们称这些构造为大型低速省份，因为地震波在其中传播的速度比在地幔其余部分传播的速度慢。
研究人员对忒伊亚地幔与地球地幔之间从碰撞发生到现在的相互作用进行了计算机模拟。结果表明，来自忒伊亚的一些物质最初沉入到地球地幔的底部，随着时间的推移，更多的忒伊亚物质在那里堆积起来，形成了斑点。作者在2021年的一次行星科学会议上报告了这些结果。
在他们最新的工作中，作者扩展了他们的模型。他们发现，行星撞击的能量会部分熔化地球地幔，然后地球地幔将具有两层：熔融的顶部和大部分固体的底部。
上层熔融层会将一些忒伊亚物质旋入地球物质中。但其他忒伊亚物质会穿过地幔的熔融部分沉入，并嵌入到下层。最终，它会形成两个独立的斑点。与此同时，其他忒伊亚物质被发射到轨道并形成了月球。
比较地幔和月球
卡努普说，该模型并不是地幔异常是忒伊亚残余物的确凿证据，但袁和他的同事“提出了一个可以认真对待[这种情况]的理由”。“这不仅仅是一个随意的想法，这有点像我之前认为[它]是的那样。”下一步将是通过比较来自地幔和月球的一些岩石样本来验证模型。
伦敦大学学院的地球动力学家马克西姆·巴尔默不确定地幔异常的这个想法是否站得住脚。“该模型‘肯定需要进行测试’，”巴尔默说。“但我确实认为这是一个值得追求的想法。”
袁希望这项研究和后续研究能够阐明是什么使地球如此独特——可能包括与忒伊亚的碰撞等因素。他说，这项研究表明，“这次巨大的撞击[在]地球中产生了一些可以持续数十亿年的异质性。”
本文经许可转载，并于2023年11月1日首次发表。