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地幔柱的“地心游记”
来源:中国科学报      作者:鲁捷      时间:2015-09-16 17:54      关键词:科学家阐释柱状熔岩流轨迹之谜
摘要:地球内部的一个重要特征已成为关注焦点。40多年来,地质科学家一直在讨论地球的热点区域,即数百个火山区域向地表凸起,看起来就像有一些高温物质从地下持续向上推动地表或是由于地幔柱造成的。地幔柱即从距离地表3000公里的地核附近产生的柱状熔岩流。

 

 

热点区域研究人员辨识出了地幔中28处柱状溶岩流,它们几乎全与被称为热点区域的火山地区相对应。图片来源:《自然》

地球内部的一个重要特征已成为关注焦点。40多年来,地质科学家一直在讨论地球的热点区域,即数百个火山区域向地表凸起,看起来就像有一些高温物质从地下持续向上推动地表或是由于地幔柱造成的。地幔柱即从距离地表3000公里的地核附近产生的柱状熔岩流。

该理论支持者引用的物理模型认为,像沸水中的泡沫一样,当地幔下方受热时,地幔柱也可以自然而然地产生。地震学家利用地震波进行核磁共振成像(MRI)X线断层摄影技术,观察到地幔上方熔岩柱的迹象。但一直以来缺乏证据证明,地幔柱会从地心持续延伸,一小部分科学家则主张,热点区域可能是由距离地表较浅的熔岩库所导致。

现在,一项新研究发现,熔岩柱会一直向下延伸。通过利用精尖技术获取到史无前例的地震记录细节,研究人员发现了28处地幔柱的证据,其中大多数位于火山热点区域下方,从地心持续、垂直上涌。“如果我们的成像结果合理,那么我们已经解决了争端。地幔柱确实存在。”美国加州大学伯克利分校地球物理学家Barbara Romanowicz说,近日她和同事Scott French等人的相关研究成果发表于《自然》杂志。

此次的实证研究结果让很多科学家感到惊奇。Romanowicz表示,这些地幔柱的宽度可达600~800公里,是此前预测模型的3倍多。因此,地幔柱携带的地心热量比此前认为的也高得多。而且,它们的最深处非常笔直,不会在下地幔的岩浆流中徘徊。“很有可能,科学家需要重新思考下地幔的运行方式。”她说。

其他研究人员则对此项研究表示赞赏。“他们的X线断层摄影术工作确实是一项杰作。”密歇根大学地球动力学家Peter van Keken说,“此前研究模型中的谜题变得清晰了。”Van Keken感到好奇的是,深度小于1000公里的地幔柱存在的扭曲和弯度。他认为,1000公里处地幔柱行为的这些变化可能表明了上升熔岩流的一个未知阶段,使其变得不那么僵直。

对于地幔柱令人惊奇的规模,van Keken表示,这与一种新观念相一致,即熔岩柱可能是由地幔周围不同的物质组成。如果一个熔岩柱聚集了靠近地幔边界的浓密的玄武岩物质,“它会让熔岩柱移动速度降下来,并扩大熔岩柱的宽度。”van Keken说。

法国尼斯-索菲亚·昂蒂波利斯大学名誉地球物理学家Guust Nolet表示,此前的研究表明了深部地幔柱的存在,但是此项研究深化了对地幔顶层和底层的认识。他表示,如此庞大的熔岩柱将改变地球如何释放内部热量(其热量达到44兆兆瓦)的解释。其中一半热流据认为可能来自于地球内部的放射性元素,另一半热流来自地心热量。地球物理学家推测,地幔对流(流动熔岩的广泛多孔模式)带走了来自地心的多半热量。“我们需要重新审视这一观点,应考虑到熔岩柱在其中扮演着更重要的角色。”nolet说,“或许下地幔根本没有进行对流传热。”

此次新研究成果利用了一种叫作地震X线断层摄影术的技术,晃动地球表面的大规模地震会发射出地震波,并扩散至各个方向,当它们遇到异常炙热、密度较低的结构时(如熔岩柱),波速度会放缓。根据对许多地震的测量结果,可以绘制出地球的内部结构。

然而这项研究结果未能让英国杜伦大学地球物理学家Gillian Foulger信服,她一直对深部地幔柱持怀疑态度。她认为,这项研究中的整个地震波技术仍处于萌芽阶段。她还强调,Romanowicz 和French找到的大多数地幔柱位于大洋中的热点区域下方,而采集这些地方的地震数据极为棘手。“如果数据质量不高,你会听到很多噪音。”她说。目前一些研究人员正在推动相关研究,以填补这一信息缺口。

但van Keken则认为,支持深部地幔柱的证据很充分。“持怀疑观点的人少之又少。”他说。他表示,如果研究人员可以看到100公里宽的局部特征,那么就可以揭示洋壳板块从俯冲带垂直没入地球内部的结果。一些板块可能会联合徘徊在中部深度,另一些板块可能会一直落入地心。但是要验证这一观点,需要建立频度更高的(地震仪所记录的)震动图,这将需要更强的计算机能力。“如果你不希望你的研究生永远毕不了业,那么就需要功能真正强大的计算机。”van Keken说。

 

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