西南伊比利亚海域长期以来以其复杂的构造形态和历史性的强震事件闻名于世。大西洋与地中海之间的板块交互、古老的海底断裂带以及超伸展边缘上的蛇纹岩化地幔暴露,使该地区成为研究海洋岩石圈演化与地震成因的天然实验室。最近,基于高分辨率的远震P波层析成像并结合海底地震仪(OBS)观测与二维数值模拟,研究者提出了一个令人震惊但又符合多项地质证据的模型:在西南伊比利亚外海,存在海洋岩石圈的"剥离"或"去除"过程。这一发现不仅改变了我们对海洋板块刚性与稳定性的传统认识,也为理解区域强震与潜在的俯冲起始提供了新思路。 地震层析成像揭示的深部异常是研究的核心证据。研究团队利用覆盖伊比利亚-马格里布区域的陆地与海底宽频段地震台网记录,结合数千个远震事件的到时差异,采用先进的网格化反演方法重建了上地幔的速度结构。
结果显示,在Horseshoe Abyssal Plain(马蹄形深海平原)正下方存在一个明显的高速度体,延伸深度可达约250公里。这一高速度异常与传统意义上的"板片"相似,但与典型的俯冲带相比,表面缺乏相应的大量地壳缩短和传统海沟形态,且上覆沉积层保持相对平坦。这种表层与深部进退不一的构造特征提示,可能存在一种深浅解耦的过程,使深部岩石圈发生下沉而表层地壳并未同步经历巨大缩短。 区域地震活动为模型提供了进一步印证。海底地震观测显示,Horseshoe Abyssal Plain发生地震的震源深度集中在20至60公里之间,这一深度正位于岩石圈地幔而非浅表地壳。历史及仪器记录中的强震实例,包括1969年位于圣文森特(St. Vincent)近海的M7.9地震,以及历史文献记载的1755年里斯本大地震(估计M8.5-8.7)等,发生位置与深度在空间上与该高速度体及深部震源簇相吻合。
尤其值得注意的是,1969年地震震源位于几乎平坦、被厚厚沉积物覆盖的海底之下,这一位置与常规的浅层断层推力构造并不一致,反而更适合深部逆冲或深层断裂活动的解释。 构造学与地质学资料补充了地震影像。西南伊比利亚一带的西部海域为典型的超伸展、缺乏大量玄武岩盖层的"无火山"裂谷 - 海底扩张边缘,地壳薄弱并伴有大面积的蛇纹岩化地幔暴露。地震反射与折射剖面显示,Horseshoe Abyssal Plain处的玄武岩海壳缺失,沉积物直接覆盖在蛇纹岩化的上地幔之上,蛇纹岩体厚度在5至10公里之间。在这种情况下,蛇纹岩化产生的低强度层充当了岩石圈上部与下部之间的机械滑动面,使上覆沉积盖与负浮力的岩石圈地幔更容易发生相对运动。 为检验这一"海洋岩石圈剥离"概念,研究团队设计并实施了系统的二维数值模拟。
模型使用Underworld地球动力学数值代码,建立了代表非对称海洋板块碰撞的简化几何和热结构。关键实验设置包括:一侧(代表非洲板块)较厚且具玄武岩海壳,而另一侧(代表伊比利亚一侧)缺乏完整的玄武岩盖层,顶部为沉积物,地幔顶部存在10公里厚的蛇纹岩弱化层。模拟还测试了边界条件差异,尤其是当板块边界由一条弱面或两条平行弱裂带所限定时的演化差异。 数值结果令人印象深刻:当存在两条近似垂直的弱带并且蛇纹岩化层厚约10公里时,深部岩石圈的一块"板块"趋于复合式下沉,形成可下移的岩石圈地幔体块,而上覆的蛇纹岩层变厚并成为主要的变形场,吸收大部分浅层缩短。与单一弱带不同,多弱带结构促成了一个被"夹住"的岩石圈块体向下剥离,延伸入地幔之中,表面沉积盖保持相对平坦,浅层主要生成低角度推覆构造,如邻近的Gorringe Bank处所观察到的南倾薄片。模型还表明,该脱离过程在停止外力驱动后仍可能由于自身负浮力持续下沉,说明剥离可由强制挤压触发并由重力驱动延续。
参数研究进一步指出,若蛇纹岩层较薄或不存在,或仅有单一弱带,剥离现象难以实现,系统更可能转向典型的俯冲起始或倾向性弯曲破裂模式。 这套综合的地球物理与数值证据链为解释西南伊比利亚海底强震提供了新范式。传统对强震的解释往往依赖于浅层大型断层或古老俯冲带的延伸,但在此区域,深部剥离与断裂之间的耦合能够生成深度达数十公里的逆冲断裂面,从而造成异常强烈的能量释放。基于地震层析体积的沿走向长度和地震矩估计,研究者推算如果北倾的深部断裂发生整断裂,可产生高达M8.6的地震级别,若只局部断裂亦能触发M8级事件。这为理解1755年里斯本大地震以及后续几次历史强震提供了可行的机械解释。 更广泛的地球动力学意义亦不容忽视。
海洋岩石圈剥离打破了"海洋岩石圈刚性足以阻止剥离"的传统观念,展示在特定条件下海洋岩石圈也可以发生类似大陆板块下地幔剥离的过程。关键条件包括:老旧、厚且严重蛇纹岩化的岩石圈,上下边界存在预先存在的弱化断裂带,以及持续的板块会聚驱动。这些条件常见于老的超伸展、缺乏玄武岩盖层的被动边缘或扩展边界附近。研究者指出,尽管当代地球上类似情形并不普遍,但在地球历史的某些阶段,特别是在洋盆晚期或更古老的地质年代,类似的剥离过程可能更为常见,并可能在俯冲起始和地壳分异中扮演重要角色。 对于区域地震风险评估和灾害管理,认识到深部岩石圈剥离作为潜在地震源具有现实意义。传统海底地形调查和浅层地震勘测很难直接发现这类深层断裂结构,因其表面表达可能非常隐蔽,常以沉降、沉积盆地加厚或局部隆起形式出现。
为此,未来的海底地震观测、深部反射与折射剖面、重力与磁异常的高分辨率测量,以及三维层析成像的增强观测都尤为重要。对历史强震的再分析以及对OBS长期部署的重视,将有助于厘清震源深度分布和断裂机制,从而改善地震危险性评估与海啸风险预警。 学术上,西南伊比利亚的发现也为俯冲起始的理论提供了新的实验案例。长期以来,科学界对如何在大洋中部或远离已有俯冲带的地方启动俯冲存在疑问。若海洋岩石圈剥离能够在局部先行发生并移除部分岩石圈质量,从而改变局部力学平衡并为后续持续俯冲创造条件,那剥离就可能成为俯冲起始的先导机制之一。数值试验表明,一旦局部剥离开始,剩余构造系统更容易转向真正的板片下沉与俯冲系的发展。
尽管证据强而可靠,但研究团队也强调目前模型与观测尚有不确定性,尤其是三维结构的复杂性与时间演化细节需要更多观测来约束。未来研究推荐多个方向:部署更多长期海底地震台以改进震源定位和深部断层成像;进行高分辨率重力与地壳热流测量以检测可能的热异常与密度变化;开展可再现的三维数值模拟以探讨不同弱带配置、蛇纹岩化程度与会聚速率对剥离过程的影响;以及结合古地磁与地层学证据重建该区域的长期构造演化。 总结来看,西南伊比利亚外海的研究为海洋岩石圈动力学开辟了新视野。通过层析成像、海底地震观测和数值模拟的有机结合,研究者提出了海洋岩石圈剥离在特定地质背景下能够发生的有力证据链。该过程不仅为一些历史与现代高震级事件提供了技术上可行的解释,也可能在更大的地球演化框架中影响俯冲起始与海洋消减的模式。面向未来,持续的观测与更精细的三维建模将是验证并深化这一理论的关键步骤,同时也将为沿海国家的地震与海啸风险管理提供宝贵科学依据。
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