在大西洋与地中海之间的西南伊比利亚近海,最新的地震学研究和数值模拟提出了一个颇具争议但影响深远的观点:海洋岩石圈并非总是保持完整与刚性,在特定条件下也能发生类似大陆岩石圈的"剥离"或脱离过程。通过对遥相地震P波走时层析成像(teleseismic tomography)数据与海底地震仪(OBS)观测的综合分析,研究团队发现一个向下延伸至约250公里深处的高速度异常体。该异常体位于平坦的Horseshoe Abyssal Plain区域之下,恰好对应历史与现代高震级地震的震源带,研究者将之解释为正在下沉和被提取的海洋岩石圈下部岩石块 - - 也就是海洋板块的"剥离"现象。该结论若成立,将改变我们对板块回收、俯冲起始与海洋地震危险的认识。 地震层析成像揭示异常构造 高分辨率的P波层析成像结合海底陀螺(OBS)记录,使研究者得以描绘出西南伊比利亚近海上方到上地幔的速度结构。在距离地表几十公里到两百多公里深处,出现一个明显的高速度体,横向尺度约为一百五十至两百公里,纵向延伸可达约200至250公里。
传统解释会倾向于把这种高速度体视为"消亡的"或"新生的"俯冲性岩石楔,即小尺度的地幔板片下沉到深部形成的小板片(incipient slab)。然而,若按典型的俯冲模型解释,则需在海洋壳上发生200多公里的水平挤压与明显的地壳短缩。实际的地质复原与地壳层析结果却显示,近表层地壳的短缩远小于这一数值,仅有几十公里量级。这个矛盾提示深部与浅部之间存在显著的解耦。 OBS微震定位补充了层析成像的信息。NEAREST实验记录到的群集地震表明,震源深度集中在20至60公里范围内,属于岩石圈上部到中部的地震活动带。
观测到在20公里之上的地震显著减少,被解释为在浅部存在蛇纹岩化(serpentinization)导致的机械弱化层,使得上覆沉积盖层与下部未被蛇纹化的岩石圈之间形成了滑动或解耦界面。地震反射与折射资料进一步证明,在Horseshoe Abyssal Plain区域,真正的玄武岩海洋地壳薄弱或缺失,沉积层直接覆盖在已蛇纹岩化的上地幔之上,这一构造有利于使得岩石圈地幔脱离上覆地壳并单独下沉。 数值模拟重现剥离过程 为了检验海洋岩石圈剥离是否在力学上可行,研究团队利用二维有限元/粒子追踪数值模型(Underworld)构建了简化的板块碰撞场景,模拟非对称海洋板块与两条近纵向弱断层(代表Gloria Fault和Tydeman Fracture Zone)之间的相互作用。数值实验设置包含一个较厚且老的"非洲类"海洋板块与一个较薄且上部含有10公里蛇纹岩化层的"欧亚类"板块。通过参数化试验,研究者发现,只有在同时存在较厚的蛇纹岩层与两条平行弱带时,才容易发展出所见的"片状(flake-like)"剥离结构。模型演化显示,在持续的板块会聚作用下,被两条弱带限定的岩石圈下部会逐渐向下脱离并形成一个显著的北倾深断裂面,过渡带上方的沉积地层保持相对平坦,而板面边缘处则出现明显的浅层挤压或低角度逆冲构造,极易诱发大规模地震。
模型还揭示了剥离与传统俯冲的差别。在只有单条弱带的情景中,模型更容易演化为明显的俯冲始动,其中较薄板片俯冲至下方并导致上覆地壳发生大尺度短缩,这与Horseshoe Abyssal Plain所观测到的浅壳短缩不符。而在双弱带与厚蛇绿岩层的组合下,深部岩石圈可被机械"剥离"并独立下沉,致使浅表地壳与深部岩石圈之间产生解耦,从而解释为何深部似乎"下沉"数百公里,而浅部地表只表现为有限的地形抬升或塌陷。 机制:蛇纹岩化与弱带的协同作用 蛇纹岩化是一种由水与超镁铁质岩石反应形成的矿物化过程,能显著降低岩石的强度和密度并增加其孔隙性。在超拉伸、少熔喷发的大西洋型被动边缘上,岩石圈上部被长时间暴露于海水渗透,导致大范围的蛇纹岩化与玄武岩地壳的缺失,这正是西南伊比利亚近海的典型特征。蛇纹岩化层成为一个低强度、低粘度的"滑动层",将上覆较轻的沉积盖层与下方较重的岩石圈地幔机械分离。
同时,早期的断裂和变换断层如Gloria与Tydeman为剥离体提供了侧向界限,使得一块岩石圈下部可以作为一个相对独立的单元被挤压并向下坠落。强制型的会聚作用(远场板块运动与局地压缩)为剥离提供了外部驱动力,而剥离本身的负浮力也会在停止外力作用后继续推动其下沉。这种"强制+重力"共同驱动的模式,使得海洋岩石圈下部剥离在某些特定地质背景下成为可能。 地震危害与历史地震的新解释 如果深部高速度体确实为正在剥离的岩石块,那么其与历史上几次极大地震之间的联系值得重视。记录显示,西南伊比利亚近海区域产生过包括1755年里斯本大地震(估计M8.5-8.7)、1969年圣文森特地震(M7.9)在内的多次高震级事件。传统上很难在海底表层找到能够解释这些强震的典型断裂面或大型俯冲界面,尤其是在地表沉积覆盖和构造痕迹不明显的Horseshoe Abyssal Plain。
剥离模型为这些历史事件提供了新的震源机制:位于岩石圈中部的北倾深断裂面可以产生能够影响整个岩石圈厚度并释放大规模能量的断裂滑移。当沿剥离体边界的断层发生破裂时,可导致局地垂直和水平位移,从而产生强震和可能触发海啸。研究计算表明,若剥离相关的深断层沿约160公里走向完全破裂,潜在地震规模可达M8.6;若破裂长度为约80公里,则可产生M8左右的事件,已足以解释1969年及1755年地震的震级范围。 对俯冲起始的启示 俯冲的起始一直是板块构造学中的难题,特别是在类似大西洋之类的"被动"洋盆中发育新的俯冲带并不常见。剥离过程可能在某些条件下为俯冲启动提供助力。相比之下,剥离所需的力学功较小,且通过蛇纹岩化的弱化与既存弱带的存在可显著降低起始门槛。
当一块岩石圈下部被剥离并引入深部时,随后形成的空隙或上覆地幔的流动可能为更持久的俯冲界面创造先决条件。因此,剥离不仅是岩石圈回收的一种替代方式,也可能是俯冲起始阶段的重要触发机制,尤其适用于老旧、厚且广泛蛇纹岩化的海洋岩石圈。 全球意义与古地质学启示 尽管在现代地球上,像西南伊比利亚这种海洋岩石圈剥离的实例并不普遍,但在地球历史的不同时期,类似过程可能更为常见。古太古代与古元古代时期,地球表面覆盖着较厚的、易被水化的岩石层,或在碰撞与陨石撞击的背景下出现更广泛的蛇纹岩化时,剥离可能成为一种重要的地壳-岩石圈再循环机制。地幔剥离与陆地上的剥离研究一致,提示岩石圈的物质与能量交换方式存在多样性,海洋与大陆之间并非截然不同。对古大陆形成、地壳演化以及早期地球热史的理解,都可能从研究剥离机制中获得新见解。
未来研究方向与观测建议 要进一步验证海洋岩石圈剥离的假说,需要更多维度的地球物理观测和地质证据。高分辨率的地震折射/反射剖面、更多的海底地震仪长期部署、更精确的地震事件深度定位和断层成像将有助于揭示深部断裂的几何与活动性。重力与地壳等效的详尽分析以及热流观测可以检验模型中热力学与密度分布的预测。此外,三维数值模拟将是必需的,以考虑沿走向的变化与三维几何效应,特别是评估剥离体如何沿断带延伸、分裂或与邻近构造相互作用。 结语 西南伊比利亚近海的新型地震学与数值模拟研究提出了海洋岩石圈也能发生剥离的证据,这一过程与蛇纹岩化、既有弱带和远场会聚共同作用密切相关。剥离模型为解释该区域的深部高速异常、浅层短缩不足与一系列大地震提供了统一框架。
若进一步证实,海洋岩石圈剥离不仅影响局地地震危险评估,也为理解俯冲起始与全球板块回收提供了重要线索。面对海洋地震灾害风险管理与地球动力学理论,两者都将从更深入的观测与模拟研究中获益。 。
