作者:段歆涔 来源:中国科学报 发布时间:2013-4-9 8:07:48
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“地幔柱”学说渐被科学界接受

 
图片来源:《科学》
 
尽管地心深处仍然充满神秘,但研究人员通过研究地球深处的运动方式,正逐渐了解一种将地心与地表紧密相连的自然现象——地幔柱。
 
■本报实习记者 段歆涔
 
地球是一台以自身热量为能源的引擎。现在,地球内部运动的知识在历经近百年的磨砺后,科学家终于能够略微了解地球这台机器是如何整体运作的。
 
对于地球内部的热量和物质会由于某种未知的作用被带回地表的自然现象,科学家已争论了40年。这是否由比正常状态更炙热的岩石组成的高耸地幔柱的上升作用导致的?数十年的科研努力,包括利用地震波对地幔造图,通过地球化学知识揭示地球深处的自然状态,以及以气象学家预测天气变化的方式构造地幔运动的模型,今天终于有了回报。
 
美国尤金市俄勒冈大学地震学家Eugene Humphreys说:“我最终取得了突破。”Humphreys认为,他可以通过地震学的视角“看到”怀俄明州黄石国家公园附近,有一条地幔柱在不断输送热量并导致火山喷发。这种孕育自地幔最深处的运动最先在此处被发现,并且似乎将被科学界广泛接受。
 
随着最新的科研成果明确了板块构造与地球内部的联系,地幔柱的发现最终将地幔与地表紧密地联系在一起,使地幔运动的影响从地底延伸到表面。在诸如两座巨型大火成岩省之类的区域所发现的地幔柱,无论何种规模,似乎都是从位于地下2900公里地幔深处内一处神秘的地层中涌起的,其厚度可达数百公里。对于该现象的解释说明将很快公布,但是关于地球引擎的认知仍存在一些未知问题。
 
存在地幔吗
 
人们并没有一直认为地球的内部杂乱无章,但也不觉得它多么有趣。早在上世纪中叶,地震学家便依据地震波在岩石中的传播方式,将地球2900公里厚的地幔划分为6层。以当时的科学技术来看,地幔各层之间井水不犯河水,直到20世纪60年代板块构造理论出现。板块漂移所揭示的核心问题是地球地表的最上层会向下俯冲进海洋深处的海沟,之后继续向着下方的上地幔运动。
 
地震学家耗费更久的时间才攻克了另一座难以攻破的堡垒。随着地震记录的不断增多和完善,研究人员能够利用X线断层摄影术更深入地追踪被称作俯冲板块的下降板块。到20世纪90年代,地震学家已能够发现这些俯冲板块正在努力穿透位于地底660公里深处上地幔与下地幔理论上的边界。一旦完成穿透,这些板块将向着地底继续下降。
 
但是地幔柱是如何运动的呢?通过绘制地幔的X线断层摄影图,地震学家是否在21世纪的头10年证明了地幔柱的存在?Humphreys说:“我认为没有。”
 
密歇根大学安阿伯分校的地震学家Jeroen Ritsema对地幔柱的存在持怀疑态度,因为他与同事对绘制地幔柱将会遇到的困难有着定量的考虑。他说:“X线断层摄影技术并不简单,人们很容易被得到的结果所误导。”密歇根大学的Yong Keun Hwang、Ritsema和同事于2011年8月共同在《国际地球物理学期刊》上发布了一长串影响发现地幔柱的因素:预期中的狭小范围,以及可导致地震波分散的相对温暖的温度等。
 
发现之旅
 
长久以来,地震学家一直未能发现地幔柱,直到40年后,固体地球科学家才认同它的存在。帕萨迪纳市加州理工学院行星物理学家David Stevenson说:“我的根据并非来源于观测而是来自基础理论。当有一股热量从地幔深处涌出时,最符合自然规律的方式便是如地幔柱一般将物质剥离。我十分确信这种基于理论的论点是具有说服力的。”
 
地幔地球化学家对于地幔柱的存在有自己的理论支撑。他们对热点区域内的火山喷发后被带到地表的微量元素、稀有气体,以及岩石中的同位素检测后发现,沉淀到地幔中的物质历经千万年之后会随着海洋火山喷发的熔岩回到地表。另外,随着海洋板块的运动,热点区域内会有一座座海洋岛屿成线状突然出现。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所名誉科学家、地球化学家Stanley Hart说:“这些现象很难解释,除非你认可地幔柱的存在,我认为它的存在即将得到所有人的认同。”
 
过去10年,即便是那些更多考虑板块构造对撞理论的地球科学家也都承认地幔柱的存在。2010年,挪威奥斯陆大学古地磁学家Trond Torsvik和地壳构造物理学家Bernhard Steinberger,以及来自休斯顿大学的Kevin Burke和同事联名在《自然》杂志上发表了一篇论文,文中总结了10年来一些将地表浮渣与地幔底部两大火成岩省(分别位于非洲和南太平洋下方)相联系的研究成果。
 
实际上,为了弄清可能与地幔柱相关的地质特征的原始生成地,Torsvik与他的同事曾将地球部分板块构造的研究回溯至2亿多年前。地球化学分析及其链状结构揭示了当今11个热点地区中的10个可能深深地扎根于地幔中。Torsvik与同事发现同样数量的热点地区所处位置在熔岩堆之上或其附近。25个大火成岩省中的23个在熔岩堆边缘处喷发。
 
德国美因茨市马克斯·普朗克学会生物化学研究所的名誉地球化学家Albrecht Hofmann说:“这是一个强有力的地理学联系,两个巨大圆块边缘的联系强烈地说明这一切的形成存在着因果联系。”加利福尼亚理工学院地球动力学家Michael Gurnis说:“可以合理地推断非边缘部分也存在着地幔柱。”
 
来自地球动力学、地球化学以及地质学三个方面的证据促使学界认真研究地幔柱的存在问题:究竟是像地震学所说的那样必定存在还是根本不存在?加利福尼亚大学圣克鲁斯分校地震学家Thorne Lay说:“那里存在着相当分量的地底物质。”唯一可以解释这一现象的便是地幔柱。
 
一个比较新的且至今仍在不断提供证据证明地幔柱存在的科研项目于2012年3月15日在《地球与行星科学通讯》上发表了研究成果。来自新墨西哥大学的Brandon Schmandt同包括Humphreys在内的同事们通过一种独一无二的资源—移动式阵列来观测地幔柱。该阵列由400台地震仪组成,并以位于黄石国家公园附近的地震仪为补充,宽800公里,在加拿大和墨西哥边境展开。这一联合观测方法为解释说明黄石国家公园热点的地下存在着什么提供了迄今为止最深入最强力的观点。
 
加州大学伯克利分校地震学家Barbara Romanowicz被该结果深深地震撼。她从未被任何地幔柱证据所说服。但是在当周稍后召开的一次研讨会上听到Schmandt所作的关于黄石国家公园的研究报告后,她改变了想法。她发现两种类型的地震数据“非常有说服力”,自己不得不承认至少有一条深地幔柱涌向上地幔。
 
地幔深处的秘密
 
如果俯冲板块的下降要穿过地幔全境,如果地幔柱是从地幔底部向上涌起的话,那么地球引擎的最深处究竟是什么样的?地震学家已经依据外观的不同将地球底部的杂质分为不同的类别。
 
受困于当前的局面,研究人员试图通过地球动力学来解决。过去几年,包括瑞士苏黎世联邦理工学院Paul Tackley、科罗拉多大学博尔德分校Shijie Zhong等在内的地幔建模者已经通过模拟来求证:当一种物质的密度大到足以到达地幔底部时,它会变得怎样。根据地幔模型,俯冲板块会将地幔从上到下地搅拌一番,“剪掉”任何不幸的小板块、沉积物,或者其他位于地幔中的地壳构造的碎屑,最终成为厚度达2900公里的“大理石蛋糕”。
 
但除了古老的俯冲板块之外,还有什么可以到达地幔深处呢?对于此项研究,地球化学家走在前列。他们将这一过程视为对那些自地球诞生后最早进入地下的岩石的一种贮存。
 
科学界对地幔最深处的构成达成共识是谨慎的。Romanowicz说,地震学家将在接下来的5年内极大地改进X线断层摄影图,但是弄清地幔的构成仍然是一项挑战。矿物物理学家已经做好了在实验室中推进地层研究的准备,尽管总有一天,对矿物的第一性原理计算会比实验室工作更重要。另外,地球化学家将致力于寻找更多的、携带可以揭露深地幔自然性质的元素。
 
《中国科学报》 (2013-04-09 第3版 国际)
 
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