印度洋中的“重力洞”是怎么形成的

我們生活在一個密度大致均勻的球體上，但你是否以為地球表面的重力在各處都一樣？事實上，更精確的計算表明，不同地點的地球重力存在微小卻可測量的差異，而這也導致了海平面的高低起伏。

在印度洋中部，有一個巨大的“重力洞”，這里的海平面比全球平均水平低了100 余米。幾十年來，它的形成之謎一直困擾著科學家。

這個面積超過300 萬平方千米的重力異常區域，其實并不是一個物理意義上的洞，而是指地球重力低于平均水平的海洋區域。

長期以來，研究這個“洞”的科學家一直認為，是海面下的某些物質導致了這種奇怪的現象。但是，一項發表在《地球物理學研究快報》上的新研究論文表明，研究人員應該將研究重點放在“洞”周圍的板塊運動上，而非其下方。研究發現，從古代海床的殘余物中升起的熔巖羽流可能是形成“重力洞”的主要原因。

引力場變化與地球質量分布有關

為什么地球表面存在重力大小不一致的現象？

這篇論文的作者、印度科學研究所地球物理學家阿特雷伊·戈什表示，想了解地球各處重力的差異，首先要從地球的形狀談起。

“地球看起來是圓的，實則偏向橢圓，就像一個馬鈴薯，赤道周圍凸起，兩極平坦。其表面重力的總體特征是：一般地區的重力常數是9.8m/s2，而赤道處最小，約為9.78m/s2；兩極最大，約為9.83m/s2。”戈什解釋道。

但是，由于重力與質量成正比，因此地球引力場的變化又與其內部質量的分布有關。想象一下，地球表面被平靜的海洋覆蓋，地球引力場的變化將使這個理想化的海洋上產生隆起和凹陷，二者分別對應著較大和較小的質量區域。這使地球表面看起來就像面團一樣，到處疙疙瘩瘩的。由此形成的略有起伏的不規則曲面，被稱作“大地水準面”。

此外，地殼、地幔和地核質量與密度的不均是導致重力存在差異的次要原因。

用計算機模型追蹤“重力洞”起源

戈什介紹，印度洋下大地水準面的明顯傾斜，被稱為“印度洋大地水準面低點（IOGL）”。重力異常是指某個特定區域的重力低于地球平均重力。它就像引力場中的一個“洞”，影響著該地區的海平面。IOGL 就是地球上最顯著的重力異常區域之一，覆蓋了印度洋的廣闊區域。

參與這項研究的印度科學研究所博士生德班詹·帕爾稱，IOGL 是1948 年荷蘭地球物理學家費寧·梅內斯在船上進行重力測量時發現的，但是科學家一直不知道它為什么會在那里。

在這項研究中，戈什和帕爾利用地面傳感器和衛星進行了局部重力測量，比較了19 種計算機模擬場景，通過重建過去1.4億年的板塊構造運動來追蹤“重力洞”的起源。

研究發現，IOGL 是印度洋下方地幔質量缺乏的結果。具體而言，“低密度異常”（即IOGL下的上地幔到中地幔中存在較輕的元素）是造成該地區低重力的原因。

那么，該地區為何有如此獨特的地質構造？戈什說，非洲下方地幔深處存在一個通常被稱為“非洲斑點”的區域，它很可能是由地幔深處的特提斯板塊運動形成的。2億多年前，古特提斯洋位于勞亞大陸和岡瓦納超級大陸之間，但是在大約1.2億年前，隨著岡瓦納大陸和勞亞大陸的距離越來越近，古特提斯洋開始閉合，最終消失了，形成了現在的印度洋和大西洋。古特提斯洋的俯沖板塊沉入地球內部，形成了一些溫度異常區域，影響了地幔對流和地殼運動。其中的一個異常區域就位于非洲下方，這就是“非洲斑點”。

帕爾表示，當屬于古特提斯洋的俯沖板塊下沉到地幔內部并到達核-幔邊界時，造成了地幔中熔巖的強大向下運動。為了平衡這種向下運動，熱而輕的地幔流開始從印度洋下面上升，形成所謂的“熔巖羽流”。這些羽流可能是IOGL形成的原因。這種熔巖羽流的上涌始于大約2 000萬年前。當羽流在巖石圈下面移動并接近印度半島時，重力異常變得更加強烈和明顯。

這些研究還表明，除了這些羽流，周圍的地幔結構也導致了“低密度異常”的形成。

“重力洞”成因仍眾說紛紜

美國海洋網報道稱，當地球核心的引力削弱地幔，使其更具浮力，更容易移動時，就會出現核心拉動削弱效應。這種效應被認為是構造板塊運動和海洋地殼形成的原因。

因此，“重力洞”的發現表明，在地幔中部深度可能存在著地核拉動削弱效應。也就是說，這一地區的地幔可能比以前人們認為的更具有浮力且更容易移動。這可能有助于我們理解板塊構造和海洋地殼的形成。

盡管“重力洞”覆蓋范圍廣闊，且該區域海平面低于平均水平，但是戈什表示，“重力洞”的存在并不會造成什么影響。

“如果你乘船進入這個區域，你會發現海面逐漸向下傾斜，在經過之后，你的船又再次隨著海面上升，回歸到了一般水平的高度。”戈什說。

幾十年來，印度洋的“重力洞”令無數科學家著迷。雖然對其確切成因尚未達成共識，但是科學家已經提出了幾種理論來解釋這種現象。

一種理論認為，“重力洞”是“板塊墓地”的殘余物。大約3 000 萬年前，古老海洋寒冷而致密的殘余物沉入非洲地下的“板塊墓地”，并隨著時間的推移不斷堆積，形成了一個低密度巖漿區域，導致地殼凹陷。隨著時間的推移，凹陷變得更深、更明顯，最終形成了我們今天看到的“重力洞”。

另一種理論認為，“重力洞”的形成是因為地球開了“熱點”，其中一股熾熱的熔巖從地幔中升起，并將地殼熔穿。隨著巖漿冷卻和凝固，它會形成一個低密度巖石區域，導致地殼凹陷。

還有一些科學家認為，“重力洞”是這兩個過程結合的產物。他們認為，一個“熱點”首先形成了地殼凹陷，然后又充滿了冰冷、致密的洋殼殘余物。

盡管此次戈什與帕爾基于計算機模型調查出了“重力洞”的一種成因，但是戈什強調，可能還有其他支持證據來解釋IOGL 的成因，因此還需要進一步地研究。至于“重力洞”的未來變化，也要看地球內部會發生什么，暫時還無法預測。無論如何，“重力洞”都在不斷地提醒著我們，我們對所生活的這個星球的理解還遠遠不夠。

文章來源：《科技日報》

（責任編輯：吳宇）