大陸板塊究竟有多深?科學家可能得出了答案

　　2017-09-02 00:02:48　來源: 網易科學人

　　「想象一下，你從烤箱里取出一塊剛做好的熱軟糖巧克力蛋糕。一開始蛋糕是軟的，」 未參與這項研究的萊斯大學地質學家Cin-Ty Lee說道。「然後它會從頂部開始冷卻隨後會產生硬層。蛋糕冷卻的頂層就好比地球上的岩石圈，岩石圈是地球上位置最靠上的部分。」

　　出品|網易科學人欄目組

　　譯者|翟中超

　　

　　科學家們相信他們已經回答了：大陸板塊有多深？

　　「從宏觀歷史角度來看，板塊構造是一個年輕的理論，」羅德島大學的地震學家布萊恩·薩維奇說道。「板塊構造理論大概出現於50或60年前，因此這段歷史並不長。我總是告訴我的學生要把板塊構造論和進化論進行比較——進化論有150年的歷史，這和電學和磁學的歷史相當。」

　　半個世紀以來，地質學家普遍接受了板塊構造論。板塊構造論通俗來講就是在幾億年的時間裡大陸漂移，海洋的面積也隨之變化。這項理論也成為共識。人們知道為什麼會發生地震、為什麼非洲和南美洲似乎能緊密地連接在一起。並且地質學家還知道很多公眾所不了解的特性：大洋板塊比大陸板塊更密實，比如說，大洋板塊總是潛沒在大陸板塊之下。

　　但是研究板塊構造學的學者仍然無法回答關於地球系統的一些緊迫性問題，他們不確定大陸是如何形成的，他們也不確定大陸是否會變形或走向毀滅。而且直到最近，學者仍無法自信地回答這個問題：大陸板塊有多深？

　　上周發表在Science上的一項新研究可能給出了答案。利用世界上每個大洲的地震數據，該論文發現大陸板塊從距地表80到120英里的範圍內開始。

　　換句話說，相比你和大陸板塊底部的距離，現在你距太空的邊緣反而更近些。

　　這一發現將幫助科學家提高我們對板塊機制的理解——不僅僅是板塊的深度或成分，還包括板塊是如何在地球上進行移動。地球由不同的層構成，中小學生都很熟悉課本上的這些知識：地殼下邊界在地表以下3到40英里；化學成分主要是含鐵鎂的硅酸鹽的地幔向下延伸了1800英里；主要由鐵、鎳元素組成的內地核和外地核距地表有3959英里。

　　「想象一下，你從烤箱里取出一塊剛做好的熱軟糖巧克力蛋糕。」

　　但是課本上這些熟悉的術語只介紹了構成地球的不同圈層及其化學成分，並沒有描述板塊如何移動及遇熱時如何反應。因此，地質學家們選用更具體的詞——岩石圈和軟流圈。

　　「想象一下，你從烤箱里取出一塊剛做好的熱軟糖巧克力蛋糕。一開始蛋糕是軟的，」 未參與這項研究的萊斯大學地質學家Cin-Ty Lee說道。「然後它會從頂部開始冷卻隨後會產生硬層。蛋糕冷卻的頂層就好比地球上的岩石圈，岩石圈是地球上位置最靠上的部分。」

　　岩石圈也可理解為是組成構造板塊的一層。岩石圈下面的溫暖部分構成了軟流圈。據估計，軟流圈溫度約1300攝氏度，壓力有3萬個大氣壓，已接近岩石的熔點，因此形成了超鐵鎂物質的塑性體，在壓力的長期作用下，以半粘性狀態緩慢地向上涌動、左右滑動又不斷與自身混合。

　　實際上，岩石圈與軟流圈看上去化學性質上是類似的，在邊界位置尤其明顯。但兩者的熱力差異是非常明顯的。地球的內部溫度大約是1400攝氏度，而地表面平均溫度為25攝氏度。

　　「橫跨1400攝氏度到25攝氏度，這就是岩石圈」

　　地質學家在很久以前就確定了地球的化學層。科學家可以通過地面研究、地震台和重力感應衛星進行預估，但這些技術手段很難確定岩石圈的邊界。更有甚者，科學家經常得出矛盾結果：一些人根據火山附近的金剛石來估計岩石圈的深度，另一些人則嘗試通過測量地震波如何穿過地球內部來確定岩石圈深度。相比地震波測量組，金剛石測量組估計的結果顯示岩石圈的下邊界距地表更近些——約地表下100英里處。

　　科學論文「調和」了上段中兩項結果。這項最新研究的數據量更大、解析度更高，分析了每個大陸的信息來估計岩石圈的深度。「我們研究了從1990年到2015年世界各地震級5.5及以上的地震所產生的地震波數據，」南安普頓大學研究員Saikiran Tharimena說道。研究小組還專門研究了的板塊中段部分——加拿大地盾（指克拉通中前震旦紀或前寒武紀結晶基底大面積出露的地區）中心位置——並非多岩石、成碎片狀的海岸。

　　傳統觀點認為大陸板塊系統就是漂浮在地下岩漿上的巨大的陸地。

　　有了更大的資料庫支持，建模也就更易感知，研究人員能夠發現在地表下80-130英里處的「金剛石信息線」上有一個巨大的截線。

　　這一發現使我們對大陸板塊的理解有了很大的發展。傳統觀點認為大陸板塊系統就是漂浮在地下岩漿上的巨大陸地。真相或多或少有些戲劇性：Tharimena和她的同事表示，在岩石圈下邊界處，地幔中的岩石由於增加的壓力而稍微融化了。總的來說，軟流圈頂部的岩石可能會融化1%——但是，這種聽起來微不足道的融化足以潤滑大陸產生漂移。

　　「地震波速度在軟流圈會發生陡變，」Tharimena在一封郵件中向我表示道。這一變化如此劇烈，不可能是單純地由高溫或化學變化造成的，研究人員說道。

　　「想要如此大幅度改變速度是很難做到的，極少數辦法之一就是添加一個液相，」李說道。「這是第一篇暗示大陸下存在一個低速區的論文。」

　　李還讚揚了論文所採用的方法論並稱這是一項「非常有趣」的發現。

　　「這篇論文沒有回答熔融物是造成了大陸漂移原因還是大陸漂移的結果，」李告訴我說道。話句話是，現在的大陸板塊分界線大概在100英里處，但這個距離可能是化學的偶然而並非地球的永久特徵。

　　「現在看來岩石圈的厚度似乎與之相交，但這並不意味著地球歷史或未來都是如此，」李說道。

　　Tharimena說，下一步研究將利用高解析度技術來分析更廣範圍的岩石圈，特別是在海陸相交的地方。這將有助於我們了解岩石圈在哪裡結束，以及更劇烈的軟流圈在哪裡開始。這將有助於回答一個更大的問題：大陸最初是如何形成的？

　　「我們一直在對板塊構造進行研究，但我們對自己所了解的東西總是一知半解，」薩維奇說道。然後他笑著道：「也許進化生物學家也會這麼感嘆！」