作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2016/12/1 9:57:20
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“地狱图集”逆转时钟
地幔层析成像重建消失的海洋和高峰

 

模型显示洋壳板块俯冲进入地心。图片来源:Fabio Crameri

在全球构造板块交集点,许多洋壳板块下沉进入地幔,这个连续循环的过程不仅会驱动大陆漂移,还会引发火山活动,形成诸如日本岛一样的岛链和安第斯山脉一样的高峰。这些板块的消失被称为俯冲,因为它们存在于数亿年前,而且有山岭从侧面夹击,因此很难被重建。“每一天,我们都在失去地球表面的地质信息。”美国得克萨斯州休斯顿大学地质学家Jonny Wu说,“它就像是丢失了你设法再次组合在一起的玻璃杯碎片。”

但地质学家已经开始通过观察地幔捡起了这些碎片——利用由穿过地球内部的地震波生成的类似于计算机层析成像(CT)扫描得到的图片。过去几年,层析成像技术的提高已经在板块自由地落入最终“墓地”——位于地表2900公里之下地球熔融核心上方的岩石堆——的慢动作过程中,揭示了其中很多这样的冰冷的厚板块。

现在,地球内部整体X光成像图即将走到聚光灯下。今年年底,在加州旧金山举行的美国地球物理联合会会议上,来自荷兰的一个科研团队将根据其层析成像模型以及对其他已发表研究的再次分析,宣布100个俯冲板块的目录,相关信息包括它们的年龄、大小以及表面岩石记录。“我们的研究已经一步步越来越深,年代越来越久远。”荷兰乌得勒支大学地质学家Douwe van Hinsbergen说,他与该校地质学家Douwe van der Meer和Wim Spakman等人一同主持该项目。

这份他们称之为“地狱图集”的资料中包含了历史上地形地貌的“幽灵”。通过让时钟逆转,并让这些目录中的板块重新在地球表面“复活”,科学家可以了解古海洋的规模和位置。此外,他们还可以定位俯冲板块在何处触发熔融,释放出岩浆体并上升到地壳导致火山爆发。这已经帮助地球学家明确指出古老的山峰在哪里拔地而起,又在哪里被夷为平地,它们的踪迹过去仅能在难以解释的岩石记录中略见一斑。“将所有这些拼图组合在一起,这是个非常令人兴奋的时刻。”挪威奥斯陆大学地质构造建模专家Mathew Domeier说。

由于地幔层析成像这种优先选择的技术存在各种不确定性,这一梦想直到最近才成为现实。它依赖的是不均衡分布在全世界的感应器收集的地震波,更快抵达的地震波被认为经过了俯冲板块中温度更低的岩石。但地震仪的覆盖也存在片面性,地震(地震波的来源)并非在所有地方都会出现;而且当地震波经过地心附近或是较长距离之后就会变模糊。“那些结构最有趣的地区经常不确定性最大。”马里兰大学学院市分校地形专家Ved Lekic说。

全球各地的研究团队利用20多种模型解释层析成像数据,而他们的地幔和构造图经常是矛盾的,奥斯陆大学博士后Grace Shephard说。今年12月,她将发表14个不同模型的对比,以此评估哪些板块更可能是真实的。她的研究结果将可以去除乌特勒支“地图集”的一些疑点。由于计算机能力的提高和类似对比项目的完善,地球内部成像结果正在变得日益可靠。

现在,消失板块的图像已经足够精确,可以让科学家逆转时钟重建消失的世界。在早期X光层析成像技术阶段,俯冲板块看起来就像熔岩灯中的一些斑点。但随着模型的改进,上地幔中的板块已经显现为僵硬、连续的帷幔,休斯顿大学构造和断层扫描中心负责人John Suppe说。图像已经非常清楚地表明,当其俯冲时,这些500公里厚的板块发生了弯曲,但却没有产生褶皱,这使得Suppe和其他科学家更容易解开谜团。“我们发现这些板块并未轻易地褶皱,而且它们变形得并不严重。”Suppe说。

他表示,这些板块驱动的重建对此前的板块运动推测提出了质疑,该推测基于大陆上保存的受到侵蚀的古海洋地壳。“以前我们几乎在所有地方观察这些现象。”Suppe说,“但我们在地幔中的发现和预测的并不完全相同。”

据悉,此次重建还包括“复活”历史上消失的山脉。Van Hinsbergen及其同事还希望,他们的板块构造图集能够重建完整的古老地形地貌。然而,即便是利用这些被Suppe等人称为“板块构造学”的新技术,地幔的海洋板块记忆也仅能延伸到2.5亿年前,这是一个板块落入地幔底部并被完全重新利用的时间。除此之外,地球仍在继续擦除着自己的踪迹。(晋楠编译)

《中国科学报》 (2016-12-01 第3版 国际)
 
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