在大洋洋底发生"岩石圈剥离"(delamination)这一概念长期主要用于大陆构造学,最新的研究把这一过程延伸到海洋岩石圈,并在西南伊比利亚海域(Southwest Iberia)提供了有力的观测证据。科学家利用高分辨率的地震层析成像、海底地震观测(OBS)与二维数值模型,揭示了一块高速度的深部异常体,解释为正在下沉或剥离的海洋岩石圈下部。这一发现为理解该区域长期以来的强震记载以及俯冲起始机制提供了全新的视角。研究具有重要的地球动力学和地震灾害学意义。 西南伊比利亚海域位于非洲板块与欧亚板块边界带,当前以西北-东南向弱会聚为主并伴有走滑断层与推覆构造。该带域历史上产生过多次极强地震,包括1755年大里斯本地震(估计M8.5-8.7)与1969年圣文森特地震(M7.9)。
这些强震的成因长期难以与浅层可观测断层直接对应,尤其在马蹄形海盆(Horseshoe Abyssal Plain)区域存在深部地震活动而表层地形与断层并不明显的矛盾。新的地震层析和海底台网数据正好补充了解释这一谜团的数据缺口。 研究团队基于大量远震P波走时数据,并结合多次海底地震观测,构建了高分辨率的上地幔速度结构模型。在马蹄海盆下方,他们识别出向下延伸至约250公里的高速度体,这类深部高速度通常与冷却且致密的岩石圈残余或下沉块体相联系。通过分辨率测试和多数据集交叉校验,研究者排除了成像伪像的可能性,认为该体是真实的构造实体,而且位置恰与深发地震聚集区和1969年地震震源近似重合。 海底地震观测揭示了另一个关键点:在马蹄海盆上方,浅层不到约20公里的地幔未发生广泛地震,而20-60公里深度区间却存在集中地震,这意味着浅层与深部之间可能存在弱层或机械去耦。
地震反射与折射资料进一步显示,在海盆区域,玄武质海壳可能已缺失,沉积层直接覆盖蛇纹岩化的上地幔。这种"无壳穿出"的超拉伸边缘格局为岩石圈脱节和剥离提供了物质学与力学上的条件。 蛇纹岩化(serpentinization)在本研究中被视为核心促发因素之一。富水的蛇纹岩化上地幔不仅密度变小、强度减弱,而且能在地壳与下部岩石圈之间形成低强度、易滑动的层,从而使表层沉积壳体与下方致密的岩石圈发生机械分离。在西南伊比利亚,研究表明这样一个厚度可达数公里的蛇纹岩层存在,并且在两条古断裂或断层带(如Gloria断裂与Tydeman断裂带)之间形成了一个被边界包围的岩石圈单元,成为剥离过程的"候选体"。 为了检验剥离机制的可行性,团队利用Underworld数值模拟进行了参数化研究。
模型设置模拟两块海洋板块会聚,其中一侧板块覆盖有蛇纹岩化的弱层,并在不同配置下引入单条或双条纵向弱带(模拟Gloria与Tydeman)。在仅有单条弱带的情形,数值结果往往演化为传统的俯冲或亚俯冲通道,导致上部地壳出现大量位移,与实际观测到的浅部有限短缩不符。而在存在两条弱带并具备约10公里厚蛇纹岩层的模型中,出现了"片状剥离"或"蛤片式"下沉:中间被包围的下部岩石圈块体向下剥离并向深处移动,而覆盖的沉积壳体相对平缓,浅层短缩主要由弱层耗散,从而重现了观测到的深部强烈变形与浅层有限短缩的异质表现。 模型演化还表明,一旦剥离过程被触发,被剥离的岩石圈块体会在会聚力与自身负浮力的共同驱动下持续下沉;即便将外加会聚力停止,重力仍可驱动其继续下沉。这一动态过程能够解释为什么地震层析成像中可见的高速度体纵向延伸甚深,且与浅表沉积下陷和局部重力异常一致。重力数据与地形观测也支持该解释:Gorringe海岭一带呈现正的Bouguer异常,而马蹄海盆区域出现负异常,表明浅层上升与深部下沉并存。
该工作对于地震危险性评估有直接启示。基于成像体的沿走向尺度与潜在断层几何,研究估算出若整条深断裂面完全破裂,潜在震级可达M8.6;若仅部分破裂亦可产生M8左右的事件。这样的结果为理解历史上的大地震(如1755年里斯本事件)提供了一个可行的深部机制,即这些大型事件可能源于深部岩石圈剥离或与之相关的断裂活动,而非仅限于浅层断裂的滑动。 更广泛地,从构造地球科学角度来看,海洋岩石圈剥离作为一种可能的板块回收机制,补充了传统的海洋俯冲与裂陷模式。该过程在地球历史上或许并不常见,但在特定条件下极具影响力:需要古老、厚且部分蛇纹岩化的岩石圈,以及预先存在的纵向断裂或薄弱带和一定幅度的会聚应力。这样的条件多见于超拉伸、非火山型的被动大陆边缘或弥散的板块边界。
研究还提出,剥离过程可能在俯冲起始的早期阶段扮演催化角色,通过先行去除下部岩石圈,降低俯冲启动的能量门槛,从而帮助形成新的俯冲界面。 尽管该研究提供了强有力的证据链,科学家仍谨慎指出替代解释的可能性,例如真正的俯冲起始与古老板片下沉的组合体也能在某些模型下产生类似的速度异常。因此,未来的研究需要更高分辨率的地震反射与折射剖面、扩展的海底地震观测以及三维数值模拟来细化几何与力学细节。特别是深度达数十公里甚至更深的精确震源定位、广域地球化学与热流数据将有助于区分被剥离块体与典型俯冲俯板的热-物性特征差异。 该发现还在地球演化史的宏观背景下引出思考:在早期地球或更广泛的板块演化阶段,若全球海底布满年龄偏老且易蛇纹岩化的岩石圈,岩石圈剥离可能比现在更为普遍,从而对大陆核的构建、岩石圈-地幔物质交换以及大尺度构造演化产生深远影响。近年来针对上古代地球可能存在的厚蛇纹岩化层的模型与证据,也为将来在古构造解析中寻找剥离痕迹提供了理论基础。
总之,在西南伊比利亚海域发现的海洋岩石圈剥离证据,既解决了若干长期困惑的观测矛盾,也为理解极端地震事件与俯冲起始过程提供了新范式。随着更多海底观测与更精细的三维力学模拟推进,我们有望更清晰地描绘这种罕见但关键的岩石圈回收机制及其对地震风险的实际意义。研究强调了跨学科数据整合的重要性:从地震学、地球化学到数值地球物理建模,多源证据的相互印证是揭示深部动态过程的关键。 。
