近年来,关于地球表层物质如何被回收至地幔的机制问题再次成为地球科学界的研究热点。传统观点认为,大规模的岩石圈剥离多发生于大陆碰撞区,而海洋岩石圈由于年龄、结构和强度差异通常不易发生类似现象。然而,最新发表在权威期刊上的研究通过综合地震层析成像、海底地震观测与二维数值模拟,提出在西南伊比利亚近海存在海洋岩石层剥离(oceanic plate delamination)的证据,这一发现不仅挑战了既有认识,也为理解该地区历史以来的强震源提供了新线索。 地质与地震背景概述 西南伊比利亚边缘位于非洲板块与欧亚板块的边界带,表现为以WNW-ESE方向为主的斜向会聚构造,现代测年估算的板块会聚速率约为每年几毫米。该区域历史上多次发生大震,其中1755年里斯本地震和1969年圣文森特地震的强度尤其显著,但长期以来震源构造与深部成因一直存在争议。传统解释多倾向于亚duction或断裂活动,但区域地表形貌、浅层地壳缩短量有限以及海底地形与反射资料并未直接显示出典型的俯冲沟或明显贯穿整个岩石圈的俯冲断裂,这使得对深源机制的解释充满不确定性。
地震层析成像与海底地震台网的发现 研究采用了高分辨率的远震P波走时层析技术,并将陆地宽频地震台与近海海底地震仪(OBS)记录结合分析,弥补了以往仅依赖陆地台网的盲区。层析成像结果显示,在马蹄形深海平原(Horseshoe Abyssal Plain)下方存在一个清晰的高波速异常体,纵向可探测至约250公里深度,这一高速体的存在通常与冷且致密的岩石体相对应,例如下部岩石圈套块或下沉的板块片段。 同时,通过NEAREST OBS实验对区域地震云集区进行精确定位,研究团队识别出一簇发生于20至60公里深度的地震群,震源位于岩石圈地幔深度范围内。浅层(20公里以内)地震较少,这一垂向分布模式暗示浅层与深层之间可能存在机械脱耦。地震反射与折射资料进一步显示,马蹄形深海平原上覆盖有厚达3至4公里的沉积层,而典型的玄武质海洋地壳在该区并不明显,沉积层直接覆盖蛇纹岩化的地幔外套壳,这一结构特征与"超伸展、非火山型裂谷-边缘"模式相符。 蛇纹岩化的关键作用 蛇纹岩化是指岩石圈上部地幔与水作用后转变为密度和强度均减小的矿物组合。
研究指出,在西南伊比利亚近海,曾发生或持续存在深度达数公里的蛇纹岩化层,这一弱层使得上部较轻的沉积和残余壳体能够在力学上与下方的致密岩石圈地幔脱耦。蛇纹岩化带不仅改变了局部的密度与黏性结构,还为后续的构造重排提供了极其重要的滑动面或剪切通道,从而在板块会聚应力作用下成为"剥离"过程的催化剂。 剥离模型与二维数值模拟验证 为检验该区域是否可能发生海洋岩石层剥离,研究团队利用Underworld数值模拟平台构建了二维力学-热学耦合模型。在模型中分别代表欧亚侧与非洲侧的两块海洋岩石圈被赋予不同的热年龄与厚度,并在欧亚一侧上方替代典型玄武岩壳的部分位置设置了10公里厚的蛇纹岩化薄层。模型同时引入不同配置的纵向弱区,以模拟实际观测到的Gloria断裂与Tydeman断裂带。通过对比单一弱区与双弱区模式,研究揭示了在存在两条纵向弱带且蛇纹岩化层厚度达到一定程度时,深部岩石圈可发生"片状"向下剥离并被向下抽提的行为。
在双弱区条件下,数值实验显示一个被两侧弱带所限定的岩石圈地幔块体会在会聚力的推动下向下脱离并逐步伸入地幔,形成类似于"剥片式"的下沉体。剥离过程中,上覆的沉积层和蛇纹岩化层保持相对平缓,下方形成一条主向北倾斜的深源断层,该断层与地震层析中观察到的高波速体位置一致。浅层变形更集中在剥离块的两端和上覆浅薄的逆冲断层位置,这一构造组合与海底地形如Gorringe Bank等东北侧高地的抬升特征相吻合。 模型对多种关键参数进行了敏感性试验,结果指出只有在蛇纹岩化层足够厚(约10公里)且存在两条垂直弱带的情形下,剥离与抽提过程才会顺利发生。单弱带或无蛇纹岩化层的模型更倾向于形成传统的俯冲起始或局部的挤压变形,但难以重现观测到的深部高速体与浅层相对未剧烈缩短的矛盾现象。 对历史强震与震源潜力的解释 研究结合地震层析体的横向延伸与1969年圣文森特地震的震源机制,估算出潜在断层的可能破裂面积与相应震级。
若该北倾深源断层在全段破裂,理论模拟的震级可能达到M8.6量级;部分破裂的情况下也可产生M8左右的大地震。这样的估值为历史上发生的1755年里斯本大地震和其他中世纪强震提供了一个可行的深源机制,即并非必须为传统意义上的俯冲带或浅层断层所致,而是可能与深部剥离体边界上的大型断裂活动有关。 重力与沉积证据的支持 从重力测量与沉积学角度,Gorringe Bank一带显示出明显的布格重力正异常,而马蹄形深海平原则对应负异常。这样的重力分布正好与剥离模型的预期相符:剥离区域上方由于下沉作用呈现负异常,而剥离体北侧或剥离末端因蛇纹岩化物质沿横向突出或地壳抬升呈现正异常。此外,马蹄形深海平原上覆盖的厚重新生沉积层也为整个浅层地壳被整体下拉并形成沉降空间提供了间接证据。 对俯冲起始与全球地质意义的启示 海洋岩石圈剥离被认为在现代地球上并不常见,但若确认为真实过程,其对俯冲起始机制将产生重要影响。
传统模型认为在大洋板块内部直接发育完整的俯冲带存在难度,尤其是在大洋裂谷或断裂带内形成自我维持的向下运动需求很高的内力与薄弱点。剥离过程通过先行移除岩石圈下部并形成局部重力与构造优势,可能为随后更大规模的俯冲起始提供"先导"条件。在地质历史早期,如古元古代与更早的时代,当地球海洋普遍由老旧厚重且易蛇纹岩化的岩石圈覆盖时,这类过程或许更加常见,并可能参与到早期大陆形成与地幔-地壳物质分异之中。 仍待解答的问题与未来研究方向 尽管综合证据令人信服,但对西南伊比利亚近海究竟是传统意义的俯冲起始还是剥离驱动的深部断裂,仍需更多直接证据以确定。首先需要更密集的海底地震观测网络以提高地震定位精度与地震成像的分辨率,尤其是对深部断层面与速度梯度的三维成像。海洋重力、磁性与地球化学采样也能补充关于蛇纹岩化程度、热结构与流体活动的信息。
第三维数值模拟与更复杂的三维动力学模型将有助于模拟沿走向的非对称性与断裂演化,以及评估不同会聚速率、热年龄与水化程度对剥离过程的敏感性。 震害风险管理与社会影响 如果深部剥离断层确实能够产生M8量级的大地震,那么对葡萄牙西南沿岸乃至更广泛的跨大西洋地区的地震与海啸风险评估将需要重新校正。历史记录中的1755年里斯本大地震及其引发的巨大海啸给出清晰的警示:对潜在深源机制的误判可能导致不足的防灾准备。科研界与灾害管理机构之间的沟通、海底地震与海啸监测能力的升级、以及针对可能大规模破裂情形的应急预案演练将是降低未来损失的关键措施。 总结与前瞻 西南伊比利亚近海的综合地震与数值模拟研究提示了一种罕见但具有重要意义的地球动力学过程:海洋岩石圈的下部剥离与抽提。蛇纹岩化弱层、既有纵向弱带以及持续的板块会聚共同促成了这一复杂演化模式。
该过程为解释历史强震的深源提供了合理的力学框架,并可能代表一种在特殊地质背景下促成俯冲起始的有效途径。未来的研究需依赖更高分辨率的海底观测、更全面的地球物理与地球化学数据,以及三维动力学模型来验证剥离的时空演化与潜在地震风险。无论最终结论如何,西南伊比利亚近海的研究为全球板块构造学、地震学与海洋地质学提供了新的研究方向与科学问题,值得持续关注与深入探讨。 。
