大约 2,900 公里之外——如果可能的话，不到三天的车程——是地球上最引人注目的结构。过去的研究在很大程度上忽略了地幔最下层和地核上层之间的这个偏远区域，但它正被证明对于理解地球的化学和热演化至关重要。核幔区域不再仅仅被视为划分液态铁外核和岩石地幔的接触面，它实际上可能是地球上地质活动最活跃的区域。它的特征似乎在地球历史上发生了巨大的变化，而且其物理性质在地幔底部表面附近也因地而异。事实上，地核和地幔界面之间的物理变化比分隔空气和岩石的行星表面之间的变化更为显著。
人们认为，核幔边界区域的强烈不均匀性影响着许多全球尺度的地质过程 [参见 D. P. 麦肯齐 (D. P. McKenzie) 的“地球地幔”；《大众科学》，1983 年 9 月]。该区域的动态影响着地球自转轴的轻微摆动和地磁场的特征。核幔区域的变化也调节着地球地幔中的对流，而地幔对流是大陆和构造板块运动的原因。
早在 20 世纪 30 年代中期，就出现了核幔边界深度处存在异常现象的第一个迹象。地震产生的震动提供了线索。在大部分地幔中，地震波的速度随着深度的增加而增加。此外，地震波速度的横向变化很小。人们可以将这些特征解释为地球随着深度变得“更简单”——也就是说，地球的成分和结构变得更加均匀。相比之下，在脚下观察到的地质结构和岩石的多样性表明，地表是最复杂的区域。
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然而，地震波的速度行为仅在一定程度上成立。在地幔最底部的几百公里处，就在地核开始之前，地震波的平均速度并没有显著增加，而且从区域到区域，速度的变化更加显著 [参见第 38 页的方框]。这种影响是细微的，差异仅为百分之几。然而，按照地质标准，这百分之几代表着结构、温度或两者都存在巨大的变化。早期的研究人员认识到与上覆下地幔中的简单行为相比，这些变化的重要性，因此将这个区域命名为 D" 层，据推断该区域厚度约为 200 至 400 公里。
该层的名称起源（发音为“dee double prime”）更多的是历史性的而非诗意的。早期的地质学家曾用字母表的字母来标记地球深处的各个部分，而不是地壳、地幔和地核。然而，这种识别形式意味着随后发现的任何中间层都必须包含一个“prime”符号来区分它。尽管其他层最终被重新命名，但 D" 命名法却一直沿用至今。
研究人员提出了许多解释来说明 D" 层的地震特性。不幸的是，可能的解释太多，而信息太少，无法对该层进行明确的表征。对 D" 层的更好描述必须等到 20 世纪 80 年代的技术突破。那时，利用部署在世界各地的记录仪器阵列，地震学家首次能够收集和处理足够的数据，以得出地球内部的三维图像。他们使用的地震仪主要在约 1 至 0.0003 赫兹或每秒周期的范围内工作。（这些声学频率远低于人类听觉范围，人类听觉范围从约 20 到 20,000 赫兹。）地震层析成像通常与医学中使用的计算机断层扫描进行比较。但由于它依赖于声波，因此地震层析成像更类似于怀孕期间进行的超声成像。主要的缺点是其分辨率：小于 2,000 公里的特征图像往往会被模糊化。
尽管如此，地震层析成像还是有助于量化 D" 层的特性。它表明该区域与上覆地幔截然不同。地震波速度在大陆大小的区域内受到影响这一事实表明，大规模结构在 D" 中占主导地位。尽管如此，地震层析成像无法解释物理性质变异的原因。在地幔底部是否存在大规模的、化学成分不同的结构，就像大陆标志着地球表面的地震异质性一样？还是说，这些异质性仅仅是地幔底部的大规模温度差异？
解读波浪
为了回答这些问题，我们中的一位（莱）在 20 世纪 80 年代初开始实施一种新方法来探索核幔边界。这个想法是使用计算机计算来分析观测到的地震波阵面的所有特征，而不仅仅是地震层析成像中的波速。这种波形分析是一种强大的方法，因为该技术可以分辨小至几十公里的结构，而不是 2,000 公里或更大的结构。缺点是只能查看核幔边界的有限部分。没有足够的地震或其他地震能量来源来获得如此高细节的全球图像。
波形研究表明，D" 层内的相邻区域可能比曾经认为的更具独特性。例如，几个研究小组研究了西伯利亚北部下方的核幔边界，发现声速在短距离内变化如此剧烈，以至于密集分布的地震仪系统地记录了不同的波形。这种发现最好通过假设地震速度的异质性在幅度上很大，并且发生在小于可分辨的距离内来解释，即在几十公里内。波形研究还可以绘制 D" 层厚度的差异。在许多地方，D" 层的顶部会导致波速突然增加，这是一个反射地震能量的过程。反射表明 D" 层的厚度变化很大。该层可以薄到无法检测到，也可以跨越 300 公里。
水平和垂直振动方向的地震波的剪切速度在 D" 层内是不同的——这在上覆下地幔中并非如此。这一事实表明 D" 区域和上覆地幔之间的岩石结构发生了变化。波形研究还在揭示了 D" 层中位于太平洋中部和非洲南部下方的大规模低速区域方面发挥了重要作用。石溪大学的文联星 (Lianxing Wen) 以及加州理工学院的倪世道 (Sidao Ni) 和唐纳德·海尔伯格 (Donald Helmberger) 绘制了地幔底部巨大区域的地图，这些区域由明显的化学成分不同的物质组成，具有低剪切速度但正常的压缩速度。这些区域位于地幔中部低剪切速度区域的下方，地球物理学家推测热柱可能从这些区域的边缘升起。
加州大学圣克鲁兹分校的斯坦利·M·弗莱特 (Stanley M. Flatté) 小组帮助证实了 D" 层的巨大变异性。在 20 世纪 80 年代中后期，弗莱特及其同事开始将新的波浪分析方法应用于从深地幔中散射的地震波获得的信号。他们的方法依赖于对波浪如何在强散射物质中传播的统计描述。这种物质类似于雾或云。弗莱特的方法是观察地震的波阵面在穿过 D" 区域后如何改变形状。地震最初发出一个平滑的、球形扩展的波。但是，当该波因地震特征的变化（例如核幔边界附近的强烈异质性）而折射和散射时，波阵面不再保持平滑。它变得起伏或呈波纹状 [参见第 41 页的插图]。
测量波阵面波纹程度的诀窍是使用密集的地震仪阵列。弗莱特从挪威的一个这样的观测站采集的观测结果表明，对于地震波而言，D" 区域似乎相当浑浊。它必须包含小至 10 公里长的异质特征。因此，地震学观测表明，D" 区域是一个异质层，其厚度在横向上变化。
与 D" 层的浑浊度相反，核幔边界（D" 层位于其上）显得平滑而清晰。现在在加州大学洛杉矶分校的约翰·E·维达尔 (John E. Vidale) 和美国地质调查局的哈雷·本茨 (Harley Benz) 完美地证明了界面的突变性。他们使用了部署在美国西部各地的众多地震记录站。地震仪阵列通常监测区域地震活动，但维达尔和本茨已将其用于寻找从核幔边界反弹的地震波。值得注意的是，地震波在阵列中的 900 多个站点上相干地到达。这种相干性意味着核幔边界代表了从地幔到地核的急剧过渡，至少对于测量的区域而言是这样。这种突然的过渡反射了高达 50% 的地震波，并传递了剩余部分。对反射波和透射波的分析表明，边界深度变化不超过几公里。
核幔边界似乎是一个清晰的反射器，厚度不到几公里。然而，在某些区域，已经观察到使用从核幔边界反射或沿核幔边界衍射的波浪，存在一个薄的超低速层（剪切速度降低 15% 或更多）。海尔伯格和亚利桑那州立大学的爱德华·加内罗 (Edward Garnero) 首次检测到这些超低速斑块，这些斑块具有与核幔边界附近的局部熔融区域预期的特性。
地震波研究在阐明 D" 层和核幔边界方面做出了很大贡献。但是，这些区域的不可接近性阻止了地球物理学家完全理解如此复杂的结构是如何形成的。
热量和压力
如果地震研究无法彻底突破地球深处的偏远性，为什么不将地核和地幔带到地表呢？这正是包括我们中的一位（让洛兹）在内的许多研究人员所采取的方法。具体来说，我们试图复制深地幔和地核中存在的高压和高温。工程技术的突破使这一壮举成为可能：研究人员已经学会了在两颗钻石的点之间压缩微小的样品，并使用高功率激光束加热样品。到 1986 年，金刚石压腔可以产生比地球中心更大的压力。
金刚石的硬度不是使用该物质作为砧座的唯一原因。金刚石的用途还在于其透明性。激光束可以直接通过金刚石聚焦，将样品加热到数千摄氏度。此外，人们可以在超高压和高温下观察样品。人们通过测量样品通过金刚石发射的热辐射来确定样品的温度。通过这种方式，人们可以量化材料变得多么“炽热”或“白热”；天文学家以同样的方式通过颜色推断恒星的表面温度。使用激光加热金刚石压腔，我们可以模拟核幔边界的适当温度和压力。我们想看看当我们将构成外核的物质与最下地幔的矿物接触时会发生什么。
当然，我们需要在将地幔和地核物质挤压在一起之前，了解它们是由什么材料组成的。为了确定地幔成分，与让洛兹合作的艾丽斯·克尼特尔 (Elise Knittle) 跟随澳大利亚国立大学、华盛顿卡内基研究所和其他机构的研究小组进行了研究。我们依赖于先前的实验工作、理论模型以及下地幔中的压力超过 20 吉帕斯卡（200,000 个大气压）这一事实。
从这些信息中，我们推断出单一的高压矿物相必须在最下地幔中占主导地位。这种矿物是致密的铁镁硅酸盐，或 (Mg,Fe)SiO3，一种坚固且化学成分简单的化合物，只能在 20 吉帕斯卡以上的压力下形成。由于它具有与钙钛矿 (CaTiO3) 矿物相同的晶体结构，因此被称为镁硅酸盐钙钛矿。下地幔岩石可能还含有少量的镁铁矿——氧化镁 (MgO) 和方铁矿 (FeO) 的组合。这种成分与地球表面或附近岩石的性质截然不同。此类地表岩石由许多不同的、复杂的矿物组成，这些矿物在压力或温度的适度变化下会发生化学反应并转化为新的矿物。深地幔的推断化学成分简单性与来自地震波的数据非常吻合，地震波数据显示深地幔相对缺乏结构（D" 层除外）。这种一致性使我们确信我们正在实验室模拟中检查合适的矿物。
日本和美国几个研究小组最近的实验和量子力学计算表明，镁硅酸盐钙钛矿可能在靠近地幔底部的高压和高温下转变为稍微致密的矿物结构。预计这种转变仅发生在 D" 的较低温度区域，如果它发生在 D" 层中的话。
确定地核的成分更为直接。50 多年前进行的地震学研究使地球物理学家能够推断出其结构。地核由围绕固体中心的熔融物质组成。人们公认该流体是一种金属——具体来说，是铁的合金。事实上，熔融铁的搅动产生了地球的磁场。
在确定了所涉及的化合物后，现在在加州大学圣克鲁兹分校的克尼特尔进行了一系列实验，其中将液态铁在高压下与结晶硅酸盐钙钛矿接触。她发现，即使这些物质接触仅几秒钟，钙钛矿也会与液态铁发生剧烈反应。化学反应的性质非常有趣且出乎意料。产物是电绝缘氧化物矿物——镁硅酸盐钙钛矿和斯石英 (SiO2)——和金属合金——硅化铁 (FeSi) 加上方铁矿 (Wüstite) 的混合物。以前不知道方铁矿能够在任何温度或压力下形成金属合金。从定性上讲，方铁矿之所以能够以这种方式反应，是因为其氧原子在高压下呈现出通常归因于其在元素周期表中的邻居硫的化学属性。当然，众所周知金属硫化物，例如二硫化铁（黄铁矿或愚人金）。
实验还表明，液态铁在 20 至 30 吉帕斯卡的压力下开始与地幔物质发生反应。这些压力远小于核幔边界的压力（136 吉帕斯卡）。因此，自地球历史早期以来，这些反应可能一直持续存在——也就是说，当地球正在形成并且地核可能在低于 136 吉帕斯卡的压力下形成时。此类化学反应很可能已显著改变了核幔系统。在整个地质历史中，可能已将相当数量的氧气吸入或合金化到地核金属中。从本质上讲，下地幔岩石过去是而且现在仍然在缓慢地溶解到外核的液态金属中。伯尼·J·奥尔德 (Berni J. Alder) 在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 25 多年前提出了这一建议。我们的实验证实了他的推测。
事实上，该假设的一个显著结果是，它为为什么地核的性质几乎但不完全是相同压力和温度下铁的性质提供了一个简单的解释。最值得注意的是，外核的密度比纯铁的密度低约 10% [参见雷蒙德·让洛兹 (Raymond Jeanloz) 的“地球地核”；《大众科学》，1983 年 9 月]。但正如奥尔德的假设和我们的金刚石压腔实验所表明的那样，地核不可能完全是铁。一个纯铁地核会在地质时期内因与上覆岩石发生反应而受到污染。很有可能，地核从来都不是纯铁。相反，它可能含有一些镍、硫和其他次要成分。富含铁的陨石为这一假设提供了基础。此类陨石被认为是地球形成材料的部分残余物，其中蕴藏着许多类似的污染物。与纯铁一样，这些富含铁的合金可以在高压和高温下与岩石化合物发生化学反应，形成含氧合金。
地核与地幔交汇
根据我们的实验，外核的致密液体必须渗入岩石，可能是通过毛细作用。熔融金属将沿着地幔底部的矿物颗粒之间的边界渗透。对所涉及的毛细管力的估计表明，地核液体可能会在地核-地幔边界上方向上移动数十至数百米。地核液体和地幔岩石之间的反应可能在不到一百万年的时间内发生——在地质术语中是瞬时的。
然而，液体不一定总是必须向上移动并克服重力。地幔和地核之间的界面不太可能是完全平坦的。金属液体将从核幔边界抬高的区域横向和向下渗透到地幔岩石中。大地测量和地震学研究的测量结果表明，核幔边界的地形与绝对平坦的偏差为数百米至几公里。因此，地核液体和地幔岩石之间渗透和直接化学反应的区域厚度不超过数百米至最多数千米。尺寸估计解释了为什么核幔边界处的任何反应区都难以检测。反应区的厚度小于典型的地震波长。此外，在任何给定时刻，反应区中液体的比例都不超过适度的一部分。因此，检测薄层区域中少量液体的存在需要非常详细地分析感知最下地幔结构的波浪。
核幔边界处的这些化学反应如何解释观测到的 D" 层的特征？答案在于由作用在核幔界面上的力产生的复杂且间接的过程。这些力来自下伏地核的热能，它加热地幔底部的岩石。结果，地幔的受热部分在数千万至数亿年的时间内向上移动——远远长于地核和地幔之间的反应，后者在不到一百万年的时间内发生。对流必须扰乱核幔边界处的反应区，将其向上卷入，并将新鲜的地幔岩石暴露于地核的腐蚀性液体中。对流是导致构造板块在地球表面移动的相同力。
地幔对流不会将液体卷入很远；任何可能存在于边界中的液态金属都可能像海绵一样通过多孔岩石流出，然后再向上移动。另一方面，来自反应区的富含铁的结晶产物（如方铁矿）很容易融入地幔流中。地幔的缓慢对流将结晶合金向上拉起适度的距离，然后金属固体的密度导致它们沉回底部。这些固体本质上类似于香料的沉淀物，这些沉淀物残留在香料热葡萄酒壶的底部。
因此，富含合金的物质倾向于堆积在地幔底部，尤其是在上升流区域附近，就像暴风雪中形成的雪堆一样。向上分散有助于地核物质的渗透并建立更厚的混合区；反应产物和未反应地幔的混合导致地震异质性。相比之下，下降流区域会分散沉淀物，从而倾向于使 D" 层变薄并降低核幔边界。加州大学戴维斯分校的路易丝·凯洛格 (Louise Kellogg) 和斯坦福大学的诺曼·H·斯利普 (Norman H. Sleep) 以及其他人的模型表明，反应区局部区域中的金属合金可能会被向上扫入地幔数百公里。这个过程需要数千万年的时间。
富含合金的漂流物在地幔底部的堆积解决了重要的谜团。具体来说，漂流物可以解释地震学家观察到的 D" 层厚度的变化。此外，计算表明，在地幔中扫起的合金漂流物的高度与 D" 最厚的部分相当。考虑到数十亿年来金属沉淀物的逐步积累，D" 的大部分复杂性和厚度变化很可能都是由于地幔流调节富含合金的反应层的方式造成的。流动也可能在其尾迹中捕获了其他致密的地幔物质或来自地核的产物。我们怀疑反应沉淀物可以收集在核幔边界的内侧，尽管程度较轻。可能在那里存在 D" 层的较薄版本，就在液态外核内部。
鉴于地球表面以下 2,900 公里处发生的强烈动态，核幔系统中的力可能会在整个地球中感受到它们的存在，这不应该令人感到惊讶。事实上，研究人员已经发现了诱人的证据，表明核幔区强烈影响着在表面可观察到的两个特征。它们是地球自转的摆动，称为章动，以及地磁场。
现在在芝加哥大学的布鲁斯·A·巴菲特 (Bruce A. Buffett) 得出结论，核幔边界影响着地球的章动。他是在对摆动进行高度精确的计算后得出结论的。研究人员使用甚长基线干涉测量法测量了摆动。射电天文学家经常依靠这种技术对恒星物体进行高度精确的测量。各种潮汐力曾被认为完全是地球章动的原因。此类机制包括地球固体表面与大气和海洋摩擦产生的摩擦力，以及与太阳和月球的引力相互作用。然而，巴菲特发现，章动中有一个潮汐力无法解释的成分。在金刚石压腔结果的激励下，他考虑了核幔边界处的薄反应区可能为异常章动成分提供解释的可能性。
他表明，如果反应层包含导电材料（如实验推断的那样），则该反应层可以很容易地解释章动信号。从地核发出的磁力线会在导电混合物中感应出小电流。这些电流反过来会产生自己的磁场。小磁场与主地磁场线相互作用，就像磁铁的磁极可以相互吸引或排斥一样。从本质上讲，地核和地幔就像两个相互推挤的磁铁一样。这种耦合会影响章动。如果调用包含金属且厚度为数百米的异质反应区，则可以很好地解释基线干涉测量数据。
事实上，我们的实验预测了反应区的这种配置。地幔底部的反应产物预计将由百分之几十的导电合金组成，例如硅化铁和方铁矿。仅由 15% 到 20% 合金组成的区域就足以解释章动。因此，我们得出的结论，即反应区厚度为数百米，并且沿核幔边界的厚度和电导率会发生波动，这与巴菲特的假设非常吻合。
核幔区影响的第二个可观察到的表面效应是地球的磁场。至少在一般术语上，人们已经很好地理解了主地磁场的起源。产生地磁场的是发电机效应，而不是地核中铁的传统磁性。（在存在于地核中的压力或温度下，铁不再具有磁性。）液态金属外核的搅动产生电流，类似于在电场中移动的导线。像载流导线一样，地核然后在自身周围产生磁场。
对流为熔融外核的运动提供动力。来自深层内部的热液体向上升向地核较冷的顶部。这种运动向上传递热量并引起对流。来自核幔边界附近的较冷液体向下沉，因此也有助于为对流提供动力。其他对流源（例如外核中固体和液体的内部分离）是可能的。通过这种方式，对流的机械能——外核中的流体流动——转化为磁能。
磁场反转
控制此过程的原理称为磁流体动力学——流体动力学（或流体流动物理学）和电磁学的结合。然而，该过程背后的数学方程式非常复杂，以至于没有人能够完全普遍地解决它们。因此，获得的解是基于物理上合理但大大简化的假设。从这些假设中获得的解不一定能解释地球磁场的微小但可观察到的细节，例如场强度的轻微波动。也许这种差异是由于计算中使用的传统简化之一造成的：金属地核被一个电绝缘区域包围，该区域对应于地幔。地球物理学家现在认识到，最下地幔并非完全绝缘，而是由金属合金和绝缘硅酸盐的混合物组成。
在这些信息的激励下，德国拜罗伊特大学的弗里德里希·H·布斯 (Friedrich H. Busse) 重新检查了磁流体动力学方程。他发现了一种新的发电机问题数学解，该解直接源于最下地幔中电导率的变化。这些解取决于两个主要因素。一是地磁场线基本上“冻结”在外核的液态金属中。因此，场线被锁定到位，仅随液态外核的对流而移动。第二个因素是嵌入在 D" 层内的金属区域会干扰从地核发出的磁力线的水平运动。然后，D" 层可以偏转或堆积来自地核的场线。根据布斯的计算，这两个因素都会在地幔底部产生局部磁场。这些场将解释地磁场的几个复杂性，包括观察到的场强波动。
核幔边界的电磁特性可能会影响地球磁场的反转 [参见第 28 页的“探测地球发电机”]。在每隔几十万年发生一次的反转期间，磁极似乎遵循首选轨迹。对于地球历史上最近的反转，这种偏好尤其明显。伦敦帝国学院和阿拉斯加费尔班克斯大学已故的 S·基思·朗科恩 (S. Keith Runcorn) 推测了几种机制，D" 层的电变化可能会影响磁极的路径。
从某种意义上说，那么，地核和地幔之间的动力学延伸到地球之外，通过地磁场延伸到太空深处。我们现在认识到核幔界面的行星重要性，而改进的技术肯定会阐明这个偏远区域如何塑造地球的演化。
作者 雷蒙德·让洛兹 和 索恩·莱 研究地球深处的物理学。让洛兹是加州大学伯克利分校地球与行星科学以及天文学教授，于 1979 年获得加州理工学院博士学位。让洛兹是一位麦克阿瑟研究员，他还研究其他类地行星的内部演化以及具有新特性的新型玻璃的形成。莱是加州大学圣克鲁兹分校地球科学教授，同时也是地球物理与行星物理研究所所长。他的专长是地震研究和地球内部结构。莱于 1983 年在加州理工学院获得博士学位，是美国地球物理联合会 1991 年麦克尔韦恩奖章的获得者。