在地球科学领域,岩石圈的回收机制长期被认为以海洋板块俯冲和大陆岩石圈剥离为主。近年来,来自西南伊比利亚海域的一系列地震成像资料和数值模拟研究,提出了一种不同寻常的过程:海洋岩石圈在近海区域发生剥离并下沉至地幔之中。该发现不仅挑战了传统观念,也为解释该区域历史与近代发生的超强地震提供了新的视角,同时对全球俯冲起始的理解具有重要意义。 研究区域位于非洲与欧亚板块边界带,海底形态复杂,西缘为Gloria断层与Tydeman断裂带,东部过渡至以Gorringe Bank为代表的隆起带和Horseshoe Abyssal Plain平原。该海域历史上发生过多次极高震级地震,包括1755年里斯本大地震与1969年圣文森特地震,其震源机制与深部构造长期是地质学界的未解之谜。最新研究综合了陆地与海底宽频地震站(包含海底地震仪OBS)的远震P波统计与层析成像,得到一处自上地幔至~250 km深处的高速度异常体,其形态与位置引发了对"海洋岩石圈剥离(oceanic plate delamination)"过程的重新评估。
地震层析显示,在Horseshoe Abyssal Plain正下方存在一个明显的高波速体,范围横跨数百公里并向下延伸至约200 km深。这一异常若按常规定性推断,可被解释为一片向下浸落的致密岩石圈残块。与之配套的观测还包括:该区域上部地壳缺乏典型的玄武岩海洋地壳,反而直接覆盖有厚达数公里的沉积物并之下是蛇纹岩化的上地幔外露或浅埋体;海底地震群呈现出20-60 km的深度分布,表明地震活动集中在岩石圈幔层,而浅层地壳地震相对较少;重力场数据中,在隆起的Gorringe Bank呈现正的Bouguer异常,而在Horseshoe Abyssal Plain呈现负异常,这与剥离块下沉与上覆蛇纹岩体密度较低所致的重力差异一致。 这些地球物理证据联合提示一种可能的构造过程:在两条古老的断裂/断层(例如Gloria和Tydeman)之间,存在一段被广泛蛇纹岩化的薄弱上地幔层,这一弱层将上覆的沉积与残余地壳与深部岩石圈幔机械上分离。随着非洲向北的持续板块会聚,位于弱区之间的岩石圈下部在负浮力与挤压驱动下发生剥离,逐步向地幔下沉。该过程产生一个向北倾斜的深部断裂面,伴随浅部形成一个向南的低角度逆冲断层,这种双向断裂体系可以解释1969年地震的浅源机制与深部地震群。
为检验该构想,研究者们开展了二维黏弹-塑性数值模拟,模拟两块不同热龄与结构的海洋板块在相对会聚条件下的动力学响应。数值模型采用了考虑温度相关粘度、摩擦屈服准则以及局部弱化的物理规律,并模拟了有无垂直弱带和不同厚度蛇纹岩化层的多组情形。模型结果指出,仅在满足若干关键条件时才会出现类似剥离的过程:一是存在一层厚约10 km的蛇纹岩化薄弱层,能够在深部形成低剪切强度的脱耦面;二是在两条近垂直弱带之间局限的岩石圈块体更容易形成"片状剥离体";三是持续的远场会聚应力提供必要的推力,促使块体下沉。一旦剥离开始,块体的自身负浮力可以维持并加速下沉过程,形成形似"片状构造"的下沉体,而上覆沉积层则因"被拉下"效应而在海盆中形成厚沉积堆积与沉陷结构。 模型与地震层析相互印证,使得海洋岩石圈剥离作为解释西南伊比利亚海域异常地震活动的机制变得合理。剥离体下方的断裂面集中释放应变,能够产生深源到中深源的强震群,其震级潜力经估算可达到历史记录中的极高值。
这一过程还可以解释为何在表层地貌与浅层地质调查中难以发现相应的长断裂或明显的地表变形:多数变形被局限并主要发生在厚蛇纹岩化带与深部岩石圈之间,表层仅在块体边缘或局部处显示出有限的逆冲造山特征,如Gorringe Bank一带的隆起。 将这些发现放在更广泛的地球动力学语境下,海洋岩石圈剥离具有重要的理论与实际意义。理论上,它提供了一个能在没有传统俯冲通道与明显海沟的情况下实现岩石圈回收的路径。尤其在超延伸、干涸玄武岩海洋地壳或露出蛇纹岩化上地幔的边缘地带,剥离过程可能比传统俯冲更容易启动,因为剥离伴随的薄弱层显著降低了所需的起始机械能量。地质历史上在洋盆晚期或更早的地质代间,若大范围存在老厚且广泛蛇纹岩化的海洋板块,那么类似剥离过程或在早期地球更为普遍,有助于解释古元古代及太古代大陆的早期差异化与演化。 在地震危害评估方面,该机制对葡萄牙、西班牙南部与北非沿岸的地震与海啸风险评估提出了新挑战。
若深部剥离断裂完全破裂,则潜在的震级与破裂面积可能与历史大地震相当。因此,对于海底地震网的完善、密集海底地震仪的长期部署以及更精细的地震层析与反射剖面采集,显得尤为紧迫。此外,重力与磁力调查、地球化学采样与海底地形细化也能为评估蛇纹岩化程度与断裂带分布提供重要约束。 尽管剥离模型能够兼容多项观测,但科学家们也提醒应保持谨慎,因为另一类解释 - - 即正在进行的局部俯冲起始 - - 在某些细节上仍然具有可行性。两者并非完全排斥;海洋剥离或许在某些情形下是俯冲起始的前奏,剥离降低了岩石圈整体的机械完整性,从而使得最终转由持续俯冲主导的模式更易建立。因此,进一步的三维地震成像、精确的震源机制分析、以及更全面的数值模拟(包括3D模型与岩石圈-地幔耦合的热化学效应)是确认剥离发生机制与规模的必要步骤。
未来研究应着重于几个方面。首先,扩展与优化海底地震观测网,尤其是在Horseshoe Abyssal Plain与相邻断裂带的密集OBS布设,有助于精确定位深部地震与解析断裂面几何。其次,联合重力、磁力与海底反射剖面数据,构建更高分辨率的三维密度与速度模型,以确认高速度体的形态与边界。第三,开展更复杂的数值实验,纳入蛇纹岩化对岩石力学与渗流性质的影响,以及模拟不同会聚速率、断裂带间距和板龄差异对剥离阈值的控制。最后,跨学科研究应将地质、地球化学、地球物理与历史地震学结合,以在空间与时间上更完整地重建该区域的动力学演化。 总体而言,在西南伊比利亚海域识别到的海洋岩石圈剥离证据,不仅为理解该片区强震成因提供了有力线索,也拓展了人类对岩石圈回收模式的认识。
无论该过程在全球现代板块构造中的普遍性如何,它都提示我们在评估海底地震与海啸风险时必须考虑深部岩石圈动力学的多样性与复杂性。加强海底观测、深化三维成像与推进跨尺度数值模拟,将是未来解开这一地质谜题,并为沿海社会提供更可靠的地震与海啸防灾信息的关键路径。 。
