给地球做CT,物理学家从地幔深处揭秘两亿年前的高山大洋

DeepTech深科技 2016-12-01 00:50

在全球构造板块的交界处,大洋深处的板块正在逐渐消失在地幔中,这不仅是地壳周期性运动的一部分,而且也是塑造当今这个星球的最重要原因之一。其中最直接的'...


在全球构造板块的交界处,大洋深处的板块正在逐渐消失在地幔中,这不仅是地壳周期性运动的一部分,而且也是塑造当今这个星球的最重要原因之一。其中最直接的效果就是如今日本岛的形成以及安第斯山脉的火山活动。

在地球科学工作者眼中,这一过程称为俯冲,现在,他们正致力于重建数亿年前的海底面貌及其两侧的山脉地形。位于德克萨斯州的休斯顿大学地质学家Jonny Wu说:“地球上的地质信息每天都在消失,这就如同当你正在试图拼接一堆破碎的玻璃片时,而他们却在一点点消失。”

三维地球板块模型,黄色部分的洋壳正滑向地核深处

海底扩张示意图,洋壳在向上地幔俯冲的同时,位于洋壳另一端的大洋中脊伴随产生新的地壳。

然而现在,地球科学家们开始将他们的视野投向更深处的地幔,在那里,他们希望可以找到一些对古地理重建有用的信息。

他们利用地震波探测技术,当地震发生时,震源处产生的地震波在地下传播,遇到地层界面,准确来说是波阻抗界面时,会产生相应的反射和折射。其中反射波能量可以反射回地球表面,而折射波则将继续向下传播,在更深处遇到波阻抗界面时继续产生反射和折射。

处于地表的地震波接收装置对接收到的地震波进行记录,地球物理学家们将地震波进行成像,从而得到地下地质结构信息。这一过程类似于医院的CT和B超成像技术,在医院中,超高频的X射线或者超声波从激发端穿过患者体内,被位于另一端或者同一端的接收装置接收,从而对患者身体内部结构成像。只不过对地球科技工作者而言,他们的工作对象不是病人,而是地球。

利用地震波进行地球内部结构成像(王伟涛博士提供)

在过去几年,这一技术已经为我们揭示了许多正在向地幔俯冲的板块。他们在重力作用下,正缓缓滑向位于地核上方2900公里的地幔中。


地球内部成像,恰似人体B超成像(王伟涛博士提供)

而现在,这些射向地球内部的“X射线”正在“聚焦”,正如荷兰乌特勒支大学地质学家Douwe van Hinsbergen所说的那样,“我们对地层的探索将越来越深,越来越老”。

下个月,美国地球物理联盟会议将在加州洛杉矶举行。届时,一个来自荷兰的科学家团队将根据自己的地震波成像技术,宣布一个包括100多个俯冲板块的名单目录,其中涵盖了他们的年龄,尺寸及其相应的岩石物理模型,还有其他已经发表的相关研究成果。

被地质学家称为“地狱图谱”的俯冲板块名单目录,其中蓝色点代表地幔位置,红色点为其数亿年前的所在地表位置

在地质学家眼中,这张被科学家称为“地狱图谱”的照片仿佛拥有着数亿年前地球古地理的灵魂,他们时间回转到几亿年前,这些在编的板块将重返地表,而科学家们也将以此推断古海洋的大小和位置。此外,他们还可以弄清楚下沉的板块会在什么位置发生融化并将熔融的岩浆释放出来,而这些岩浆也正是火山和地壳活动的“润滑剂”。奥斯陆大学的构造建模师Mathew Domeier 说:“这将是一个令人兴奋的时刻,因为他将所有的地质信息融合在了一起”。

大洋板块向地下俯冲的过程中,巨大的摩擦能量带来火山喷发和地震活动

回过头来看,现在科学家们发现的这一切也只会在近几年才成为可能,因为其所用到的核心技术——地幔层析成像技术一直以来充满着不确定性,它的成像质量依赖于遍布世界各地的地震波记录仪,这些记录仪接收着来自地下散射的数百万次地震波,其中,较快到达的被认为是穿过倾斜地层得到的。

但是,由于地震检波器分布的不均匀性,并且地震发生极具随机性,当震中距(地震震源到地震记录仪的直线距离)较大时,这些地震波的成像结果就会变得模糊,马里兰大学帕克分校的断层造影设计师Ved Lekic无奈地说:“经常会出现的情况就是,在那些我们最感兴趣的地区,也往往是最具有不确定性的地方。”

俯冲带地区的地震波层析成像结果。蓝色箭头表示测量剖面的位置和方向。半扇形是层析成像结果,自上而下深度越来越大,最下的虚线表示核幔边界。扫描图上的色彩表示运动速度,蓝色部分运动速度更快,褐色部分运动速度更低。

正因为这样的不确定性,也往往导致数据结果的多样性。奥斯陆大学博士后Grace Shephard 说:“在世界各地的学术机构中,有20多个的模型来解释这些层析成像数据,他们的对地幔及其周围结构的成像结果往往相互矛盾。”在接下来的几个月中,她将公布不同模型的断层解释的横向比较结果,并以此评估哪些板块最有可能是真实的,也许她的结果会与乌特勒支地图集上的一些板块有所出入,但是随着计算机计算能力的不断提高,这些横向比较项目的结果也会更加可信。

到目前为止,令人可喜的是,对消失板块的成像结果已经越来越准确,科学家们努力重建的几亿年前的世界也越来越清晰。虽然在早期的成像技术中,这些断层成像极为模糊,但是随着模型的改进,上地幔中的板块在成像结果上确如科学家们认识的那样,宛如一块块近乎直插地核深处的巨厚石板,作为休斯顿大学构造学和层析成像技术带头人,John Suppe说:“这些图像清楚地表明,当这些板块向下俯冲时,这些500多公里厚的板块会发生弯曲,但并不会断裂,而且我们发现这些板块很容易展开,但是不会变形。”

板块边界活动示意图

在对古板块的重建的同时,也让地球上数亿年前的山脉得以重现,前几个月发表的一项研究中表明,Wu和Suppe重建了地下28个板块的运动轨迹,并最终将5000万年前的菲律宾海重现出来,除此之外,他们认为,这些板块在向地幔俯冲的过程中,伴随着很多次的火山运动,并且在与亚洲板块碰撞的过程中,形成了现在的日本群岛以及中国东海下的各种褶皱岩层。

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