Nature:一個構(gòu)造板塊的走滑基底*

?

Nature:一個構(gòu)造板塊的走滑基底*

方震王遠編譯

(安徽省地震局，合肥230031)

2015年2月5日，《Nature》發(fā)表一篇題名為“地球科學(xué)： 一個地震構(gòu)造板塊的走滑基底”(Earth science: The slippery base of a tectonic plate)的文章。文章指出，當(dāng)太平洋板塊下沉到新西蘭下方時，板塊基底高分辨率成像揭露了一條10 km厚的通道，該通道將板塊從上地幔底部分離出來。

板塊構(gòu)造學(xué)說認為，地球的外殼，即巖石圈，由幾個剛性板塊構(gòu)成，它們相互移動，覆蓋到較弱流動的軟流層之上。巖石圈的底部，即巖石圈-軟流層邊界(LAB)，是我們理解板塊構(gòu)造活動的關(guān)鍵，盡管學(xué)術(shù)界關(guān)于決定板塊硬度和厚度機制的討論還爭議頗多、 未有定論。Stern等人描述了他們是如何在鋼質(zhì)套管的鉆孔中利用爆炸源形成的地震反射波成像下降到新西蘭下方的太平洋板塊。他們在10 km厚的通道頂部發(fā)現(xiàn)了一個不到1 km厚的LAB，在那里形成低的地震波速也許需要水和熔化物。作者認為這條薄的通道將巖石圈從軟流層解耦出來，為板塊構(gòu)造活動的產(chǎn)生提供了條件。這樣一個局部通道的存在會影響到板塊構(gòu)造的驅(qū)動力和地幔動力。

近50年來，板塊構(gòu)造學(xué)說一直是地球科學(xué)的核心理論。它是現(xiàn)代地球科學(xué)的基礎(chǔ)，為我們理解各大陸和大洋盆地的形成以及地球演化提供了理論框架。然而仍有未解決的問題存在，例如“板塊的基底在哪里？”和“板塊形狀是如何變成的？”。學(xué)界已用很多替代品估計構(gòu)造板塊基底的性質(zhì)和深度，但是迄今為止仍沒有形成一致的結(jié)論。剛性巖石圈向軟流層移動這一過程，傳統(tǒng)上都以溫度來界定。溫度對巖石的粘性(即流動能力)有很大的影響。

如果溫度是板塊運動唯一的決定性因素，那么我們就應(yīng)該會看到巖石圈是向軟流層逐步轉(zhuǎn)化的。然而，在過去的十年間，高分辨率成像技術(shù)采集到的由巖石圈基底發(fā)散出來的地震波測量結(jié)果表明，巖石圈向軟流層的轉(zhuǎn)變是急劇的。這表明，軟流層中必然存在諸如水或融化物等起弱化作用的另一機制，也由此定義了LAB。

Stern等人采用的數(shù)據(jù)是在進入地球深處后被反射回地表，再由位于新西蘭的地震儀檢測記錄的人工爆破地震波數(shù)據(jù)。由于地震波在高頻振動，作者得以將低地震波速通道成像，并推測LAB厚度。他們推測出來的LAB厚度是迄今為止巖石圈向軟流層轉(zhuǎn)化的最嚴格限制條件之一。同樣頗具意義的是，他們的報道結(jié)果認為12億年的太平洋板塊的厚度為73±1 km，這個數(shù)據(jù)也比經(jīng)典的關(guān)于洋殼逐漸冷卻的傳導(dǎo)熱模型預(yù)測的結(jié)果薄。最后，地震波速大約在10 km深處增加，且與LAB平行，被認為是解耦通道的基底。

如果推測出的LAB代表了板塊基底，那么板塊如此薄也許就能解釋超過7千萬年的海洋底部沒有下層的謎團。然而，推測出的LAB究竟是否為板塊基底取決于作者的研究機制。在太平洋板塊下沉差不多深度的地震波速不連續(xù)性成像有時被闡釋為構(gòu)造各向異性----地震波速取決于方向。單純的利用各向異性來解釋地震波速的不連續(xù)性未必需要與LAB等同起來，因為在先前的變形期內(nèi)，各向異性構(gòu)造或許已被凝固在了板塊上。盡管不是毫不可能，但一個外來的不均勻物質(zhì)也許是需要的，但是這或許與巖石學(xué)水平剪切方向理論會不一致。

所以，作者們提出的假設(shè)是，在通道內(nèi)有水和熔化物，這弱化了地幔并決定了板塊基底。隨著深度加深而增加的水合作用或許可與在洋中脊板塊形成過程中的淺層脫水作用有關(guān)(圖1)，然而熔化物可能是由俯沖構(gòu)造或熔化物的復(fù)雜地幔流造成的。必須要開展進一步研究以尋找任何已存的熔化物，因為據(jù)預(yù)測正常的海洋巖石圈在73 km深處冷卻，未必就會融化。如此一來，就需要從地幔更深的地方到太平洋板塊基底穩(wěn)定地供給熔化物，假設(shè)熔化物是沿著板塊基底移動的。

圖1　太平洋板塊俯沖模型

通道的存在本身更是一個謎，它是如何在10 km深的范圍內(nèi)形成、 為什么形成仍不可知。或許階段轉(zhuǎn)化或是融化物蓄存產(chǎn)生的水在一定的深度范圍內(nèi)發(fā)生。這些發(fā)生在特定的位置，在這里，板塊運動偏離地幔流，例如就有報道在新西蘭和哥斯達黎加發(fā)現(xiàn)了類似的通道。總的來說，通道在某種程度上解釋了LAB令人費解的性質(zhì)。依賴于低頻波的地震成像技術(shù)幾乎捕捉不到那些狹窄的通道，這也許能解釋不同方法探測到的LAB是間斷的、 存在差異的。為了全面地了解這些通道，我們需要對他們的存在位置給出更多限制條件。

然而，全球通道成像可能會很難做到。各向異性在LAB中可能是重要的，若沒經(jīng)過周全考慮或許會影響結(jié)果。另外，需要高地震波頻率來區(qū)分微觀尺度通道，盡管Stern和他的同事們所做的研究并非在全球都適用。最后，這些通道對板塊在軟流圈下的解耦和板塊構(gòu)造驅(qū)動力發(fā)揮了什么作用？ 要弄清楚這些問題，需將更為嚴格的地震限制條件與實驗室實驗和地球動力學(xué)模型相結(jié)合。

文獻來源： Catherine A R. Earth science: The slippery base of a tectonic plate. Nature，2015，518: 39-40. http:∥www.nature.com/nature/journal/v518/n7537/full/518039a.html

(編譯者電子郵箱, 方震： fzhen215@126.com)

學(xué)術(shù)論文

動態(tài)

收稿日期：*2015-05-26。

中圖分類號：P541；

文獻標(biāo)識碼：D； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.001