Nature:一個(gè)構(gòu)造板塊的走滑基底*

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Nature:一個(gè)構(gòu)造板塊的走滑基底*

方震王遠(yuǎn)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(gè)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(shí)，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(lái)。

板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)認(rèn)為，地球的外殼，即巖石圈，由幾個(gè)剛性板塊構(gòu)成，它們相互移動(dòng)，覆蓋到較弱流動(dòng)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(dòng)的關(guān)鍵，盡管學(xué)術(shù)界關(guān)于決定板塊硬度和厚度機(jī)制的討論還爭(zhēng)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?cè)?0 km厚的通道頂部發(fā)現(xiàn)了一個(gè)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(rèn)為這條薄的通道將巖石圈從軟流層解耦出來(lái)，為板塊構(gòu)造活動(dòng)的產(chǎn)生提供了條件。這樣一個(gè)局部通道的存在會(huì)影響到板塊構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)力和地幔動(dòng)力。

近50年來(lái)，板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)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(wèn)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(jì)構(gòu)造板塊基底的性質(zhì)和深度，但是迄今為止仍沒(méi)有形成一致的結(jié)論。剛性巖石圈向軟流層移動(dòng)這一過(guò)程，傳統(tǒng)上都以溫度來(lái)界定。溫度對(duì)巖石的粘性(即流動(dòng)能力)有很大的影響。

如果溫度是板塊運(yùn)動(dòng)唯一的決定性因素，那么我們就應(yīng)該會(huì)看到巖石圈是向軟流層逐步轉(zhuǎn)化的。然而，在過(guò)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(lái)的地震波測(cè)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(jī)制，也由此定義了LAB。

Stern等人采用的數(shù)據(jù)是在進(jìn)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(cè)記錄的人工爆破地震波數(shù)據(jù)。由于地震波在高頻振動(dòng)，作者得以將低地震波速通道成像，并推測(cè)LAB厚度。他們推測(cè)出來(lái)的LAB厚度是迄今為止巖石圈向軟流層轉(zhuǎn)化的最嚴(yán)格限制條件之一。同樣頗具意義的是，他們的報(bào)道結(jié)果認(rèn)為12億年的太平洋板塊的厚度為73±1 km，這個(gè)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(cè)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(rèn)為是解耦通道的基底。

如果推測(cè)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(guò)7千萬(wàn)年的海洋底部沒(méi)有下層的謎團(tuán)。然而，推測(cè)出的LAB究竟是否為板塊基底取決于作者的研究機(jī)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(shí)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(lái)解釋地震波速的不連續(xù)性未必需要與LAB等同起來(lái)，因?yàn)樵谙惹暗淖冃纹趦?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(gè)外來(lái)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(huì)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(guò)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(kāi)展進(jìn)一步研究以尋找任何已存的熔化物，因?yàn)閾?jù)預(yù)測(cè)正常的海洋巖石圈在73 km深處冷卻，未必就會(huì)融化。如此一來(lái)，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(dòng)的。

圖1　太平洋板塊俯沖模型

通道的存在本身更是一個(gè)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?；蛟S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(yùn)動(dòng)偏離地幔流，例如就有報(bào)道在新西蘭和哥斯達(dá)黎加發(fā)現(xiàn)了類似的通道。總的來(lái)說(shuō)，通道在某種程度上解釋了LAB令人費(fèi)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(cè)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(duì)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(huì)很難做到。各向異性在LAB中可能是重要的，若沒(méi)經(jīng)過(guò)周全考慮或許會(huì)影響結(jié)果。另外，需要高地震波頻率來(lái)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(duì)板塊在軟流圈下的解耦和板塊構(gòu)造驅(qū)動(dòng)力發(fā)揮了什么作用？ 要弄清楚這些問(wèn)題，需將更為嚴(yán)格的地震限制條件與實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和地球動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合。

文獻(xiàn)來(lái)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(dòng)態(tài)

收稿日期：*2015-05-26。

中圖分類號(hào)：P541；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：D； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.001