物理學家從地幔深處揭秘兩億年前的高山大洋

在全球構造板塊的交界處，大洋深處的板塊正在逐漸消失在地幔中，這不僅是地殼周期性運動的一部分，而且也是塑造當今這個星球的最重要原因之一。其中最直接的效果就是如今日本島的形成以及安第斯山脈的火山活動。

在地球科學工作者眼中，這一過程稱為俯衝，現在，他們正致力於重建數億年前的海底面貌及其兩側的山脈地形。位於德克薩斯州的休斯頓大學地質學家Jonny Wu說：「地球上的地質信息每天都在消失，這就如同當你正在試圖拼接一堆破碎的玻璃片時，而他們卻在一點點消失。」

三維地球板塊模型，黃色部分的洋殼正滑向地核深處

海底擴張示意圖，洋殼在向上地幔俯衝的同時，位於洋殼另一端的大洋中脊伴隨產生新的地殼。

然而現在，地球科學家們開始將他們的視野投向更深處的地幔，在那裡，他們希望可以找到一些對古地理重建有用的信息。

他們利用地震波探測技術，當地震發生時，震源處產生的地震波在地下傳播，遇到地層界面，準確來說是波阻抗界面時，會產生相應的反射和折射。其中反射波能量可以反射回地球表面，而折射波則將繼續向下傳播，在更深處遇到波阻抗界面時繼續產生反射和折射。

處於地表的地震波接收裝置對接收到的地震波進行記錄，地球物理學家們將地震波進行成像，從而得到地下地質結構信息。這一過程類似於醫院的CT和B超成像技術，在醫院中，超高頻的X射線或者超聲波從激發端穿過患者體內，被位於另一端或者同一端的接收裝置接收，從而對患者身體內部結構成像。只不過對地球科技工作者而言，他們的工作對象不是病人，而是地球。

利用地震波進行地球內部結構成像(王偉濤博士提供)

在過去幾年，這一技術已經為我們揭示了許多正在向地幔俯衝的板塊。他們在重力作用下，正緩緩滑向位於地核上方2900公里的地幔中。

地球內部成像，恰似人體B超成像（王偉濤博士提供）

而現在，這些射向地球內部的「X射線」正在「聚焦」，正如荷蘭烏特勒支大學地質學家Douwe van Hinsbergen所說的那樣，「我們對地層的探索將越來越深，越來越老」。

下個月，美國地球物理聯盟會議將在加州洛杉磯舉行。屆時，一個來自荷蘭的科學家團隊將根據自己的地震波成像技術，宣布一個包括100多個俯衝板塊的名單目錄，其中涵蓋了他們的年齡，尺寸及其相應的岩石物理模型，還有其他已經發表的相關研究成果。

被地質學家稱為「地獄圖譜」的俯衝板塊名單目錄，其中藍色點代表地幔位置，紅色點為其數億年前的所在地表位置

在地質學家眼中，這張被科學家稱為「地獄圖譜」的照片彷彿擁有著數億年前地球古地理的靈魂，他們時間迴轉到幾億年前，這些在編的板塊將重返地表，而科學家們也將以此推斷古海洋的大小和位置。此外，他們還可以弄清楚下沉的板塊會在什麼位置發生融化並將熔融的岩漿釋放出來，而這些岩漿也正是火山和地殼活動的「潤滑劑」。奧斯陸大學的構造建模師Mathew Domeier說：「這將是一個令人興奮的時刻，因為他將所有的地質信息融合在了一起」。

大洋板塊向地下俯衝的過程中，巨大的摩擦能量帶來火山噴發和地震活動

回過頭來看，現在科學家們發現的這一切也只會在近幾年才成為可能，因為其所用到的核心技術——地幔層析成像技術一直以來充滿著不確定性，它的成像質量依賴於遍布世界各地的地震波記錄儀，這些記錄儀接收著來自地下散射的數百萬次地震波，其中，較快到達的被認為是穿過傾斜地層得到的。

但是，由於地震檢波器分布的不均勻性，並且地震發生極具隨機性，當震中距（地震震源到地震記錄儀的直線距離）較大時，這些地震波的成像結果就會變得模糊，馬里蘭大學帕克分校的斷層造影設計師Ved Lekic無奈地說：「經常會出現的情況就是，在那些我們最感興趣的地區，也往往是最具有不確定性的地方。」

俯衝帶地區的地震波層析成像結果。藍色箭頭表示測量剖面的位置和方向。半扇形是層析成像結果，自上而下深度越來越大，最下的虛線表示核幔邊界。掃描圖上的色彩表示運動速度，藍色部分運動速度更快，褐色部分運動速度更低。

正因為這樣的不確定性，也往往導致數據結果的多樣性。奧斯陸大學博士後Grace Shephard 說：「在世界各地的學術機構中，有20多個的模型來解釋這些層析成像數據，他們的對地幔及其周圍結構的成像結果往往相互矛盾。」在接下來的幾個月中，她將公布不同模型的斷層解釋的橫向比較結果，並以此評估哪些板塊最有可能是真實的，也許她的結果會與烏特勒支地圖集上的一些板塊有所出入，但是隨著計算機計算能力的不斷提高，這些橫向比較項目的結果也會更加可信。

到目前為止，令人可喜的是，對消失板塊的成像結果已經越來越準確，科學家們努力重建的幾億年前的世界也越來越清晰。雖然在早期的成像技術中，這些斷層成像極為模糊，但是隨著模型的改進，上地幔中的板塊在成像結果上確如科學家們認識的那樣，宛如一塊塊近乎直插地核深處的巨厚石板，作為休斯頓大學構造學和層析成像技術帶頭人，John Suppe說：「這些圖像清楚地表明，當這些板塊向下俯衝時，這些500多公里厚的板塊會發生彎曲，但並不會斷裂，而且我們發現這些板塊很容易展開，但是不會變形。」

板塊邊界活動示意圖

在對古板塊的重建的同時，也讓地球上數億年前的山脈得以重現，前幾個月發表的一項研究中表明，Wu和Suppe重建了地下28個板塊的運動軌跡，並最終將5000萬年前的菲律賓海重現出來，除此之外，他們認為，這些板塊在向地幔俯衝的過程中，伴隨著很多次的火山運動，並且在與亞洲板塊碰撞的過程中，形成了現在的日本群島以及中國東海下的各種褶皺岩層。

同樣，來自英國牛津大學的地球物理學家卡林·西格洛赫（Karin Sigloch）通過對北美洲各大板塊的研究，確定了北美洲西部山脈，其中包括落基山脈，可能在2億到5000萬年前形成，他推測，當時有好幾個小板塊在向美洲板塊俯衝的過程中，伴生的各種火山噴發形成了陸上的褶皺和隆起。

一直以來，Van Hinsbergen和他的烏特勒支同行們一直在努力，希望他們的古板塊圖集有助於重建一個更全面的古地球面貌，在2012年，他們使用板塊層析成像技術來對火山島弧的經度進行約束，這個火山島弧存在於2億年前的Pangea超大陸周圍的海洋中。

兩年後，他們使用他們的全球板塊模型來估計過去2.5億年至今的活躍俯衝帶的數量，以及其伴生的火山噴發產生的二氧化碳的量。這一估計與同一時期大氣CO2的地質記錄非常匹配。

侏羅紀時期(距今2億年前-1.45億年前)的超大陸，侏羅紀時期的大氣層氧氣含量是現今的130%，二氧化碳含量是工業時代前的7倍，氣溫則是高於今日約攝氏3°，沒有冰川的遺迹。南北極地區沒有陸地與冰帽。

利用「地幔層析成像」這一新技術可以重建我們的古老星球，但是我們更應該要知道，對於遠在地球深處的地幔而言，它的記憶只有2.5億年，而這，也是人類能夠探索到地幔深處，並將其重新復原在地球表面的時間。誠然，在地質年代面前，人類的時間是那麼短暫，但是，在這短暫的時間裡，我們能做的可是一點都不少。

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