近年来关于板块构造与岩石圈回收的研究取得了重要进展,传统观点认为海洋岩石圈由于较薄且坚硬,不容易发生类似大陆岩石圈下地幔剥离(delamination)的过程。然而,来自西南伊比利亚(Southwest Iberia)海域的新证据显示,特定条件下的海洋板块剥离不仅可发生,而且可能与该地区历史与现代的高震级地震密切相关。通过高分辨率地震层析成像、海底地震观测(OBS)及二维数值模拟的综合分析,一幅关于海底深部力学耦合、蛇纹岩化层的解耦作用,以及俯冲起始潜在机制的新图景逐步清晰。本文将系统梳理这些发现,阐述海洋板块剥离的地震证据、数值再现、地质背景与对地震灾害和大洋演化的深远影响。 地震层析与OBS观测揭示的深部异常 在西南伊比利亚海域,利用陆地网络与多次海底地震台部署(例如NEAREST与TOPOMED试验)获取的宽频带远震P波走时数据,经过自适应叠加和格点反演后,获得了深达数百公里的三维速度模型。该模型显示,在马蹄海渊平原(Horseshoe Abyssal Plain)正下方存在一处显著的高速体(高Vp异常),深度可延伸到约250公里。
该高速度异常的空间位置正与1969年发生于该区、震级约为M7.9的圣文森特地震近似重合,而历史上的1755年里斯本大地震及其他几次高震级事件也可能与该深部构造有关联。 结合NEAREST OBS对该区域地震群的精确定位,可以发现深度在20至60公里之间的地震活动集中于该平原下方的上地幔或岩石圈部位,而在20公里之上的地震显著稀少。这种震源深度分布提示在浅层存在某种机械解耦,使得上覆地壳与下伏岩石圈在力学上分离。另一方面,地震折射剖面与多波束测深数据表明,马蹄海渊平原处的玄武质洋壳往往缺失,沉积层直接覆盖在经蛇纹岩化(serpentinized)处理的上地幔上,这一榄片化上地幔层厚度可达5至12公里。超延伸、非火山型大陆边缘的地质演化背景为深部蛇纹岩化提供了条件,使得局部岩石圈具备显著的弱层特征。 蛇纹岩化、断裂带与力学解耦 蛇纹岩化会显著降低含水富集上地幔的黏性与强度,同时增加其韧性和孔隙流体通道,形成一个可作为解耦层的软性接口。
在西南伊比利亚的构造环境中,沿着格洛里亚断层(Gloria Fault)与泰德曼断裂带(Tydeman Fracture Zone)存在两条纵向弱区,它们在水平上限定了一个狭长的岩石圈块体。远场的非同期板块汇聚应力驱使这块由被蛇纹岩化顶部与较冷、较致密的下层岩石圈组成的块体发生向下脱离或"剥离"。地震层析中观察到的高速度体被解释为正向下拉入地幔的致密岩石圈残余,而上覆的蛇纹岩化层则作为滑动面或缓冲层,允许浅层沉积地壳在较小缩短量下保持相对平坦。 数值模拟再现剥离过程与构造响应 为了检验上述地震学与地质推断,研究者采用非线性热黏弹塑性数值模型(使用Underworld等数值平台),构建包含两块海洋岩石圈的二维横剖面模型。一侧模拟较厚且古老的非蛇纹岩化洋板,另一侧模拟以蛇纹岩化上地幔替代传统玄武岩壳的超延伸洋板。模型参数设置包括热年龄差、蛇纹岩化层厚度、以及两条纵向弱区的存在与否。
研究发现,在仅有一条弱区的情形下,更容易形成向下"起始俯冲"的构造,导致表层大量短缩,不符合实际观测。然而,当两条平行纵向弱区同时存在,且上方具备约10公里厚的蛇纹岩化弱层时,模型演化出一种"剥离并抽离"的动力学结构:被限制的岩石圈块体向下剥落并向北沉降,形成一个深向、高速度的块体,同时上覆沉积层保持相对平坦,浅层缩短主要在弱区边界处集中。这种"薄片式构造"与地震层析及现场地震分布高度一致。 模型还表明,一旦剥离过程启动,即便外力(远场收敛)减弱,负浮力也会推动剥离体继续下沉,显示出一定的自驱动性质。模拟结果进一步复现了在剥离体上方可能形成的低角南倾逆断层(类似Gorringe Bank处的北部逆断),以及在剥离体一侧出现的深向北倾隐伏断层,这些都有潜在成为高震级事件源的能力。 与传统俯冲起始的比较:剥离与俯冲的界限 传统的俯冲起始往往要求板片弯曲、断裂以及在板块边界处形成稳定的俯冲通道,通常伴随深部板片穿透地幔、显著的表层短缩与海沟形成。
海洋板块剥离作为一种独立或并发的过程,其关键差异在于剥离更多依赖局部的力学弱化(如蛇纹岩化)与局限性弱区的边界效应,从而允许岩石圈下层 detach 下沉而不需要大尺度表面短缩或海沟发育。在西南伊比利亚案例中,尽管地震层析显示深达200公里的高速体,但上部地壳的短缩量并不足以支持传统俯冲的解释,这正是剥离模型能更好地协调观测的理由之一。 剥离过程在地震产生上的影响 如果剥离体与上覆剥离面之间存在一条较大的隐伏断层,这条断层在断裂释放时可能产生极高能量的地震。研究者基于高速度异常的走向与1969年地震的断层机制估算了潜在破裂面面积,并计算出完全破裂时的地震级可能达到M8.6,部分破裂时仍可达到M8左右。这样的震级与历史记录中的1755年里斯本地震等事件具有可比性,为长期以来难以找到合适成因的强震提供了新的解释框架。此外,剥离过程造成的深部应力集中与断层再激活也可能解释该区域出现的20至60公里深度的地震簇。
地质与重力证据的相互验证 除了地震层析与数值模拟,重力异常与沉积学证据也为剥离假说提供支持。研究显示,Gorringe Bank区域存在正的Bouguer异常,而马蹄海渊平原则显示为负的Bouguer异常。剥离模型预言在剥离体上方的沉降区会形成负重力异常,而在蛇纹岩化隆起或露出处出现正异常,二者的观测相符。此外,大量中新世至现今的沉积填积(厚达数公里)也表明该海域长期处于挤压与下沉耦合作用下,能够为剥离体的下拉腾出空间。 对大洋回收与俯冲起始的广泛意义 如果在西南伊比利亚确实发生了海洋岩石圈剥离,这将意味着在特定的构造与岩石学条件下,海洋岩石圈也能够通过剥离被回收到地幔。这一过程可能在古代板块配置中更为普遍,尤其在Wilson循环晚期或早代地球历史(例如太古代),当海底常见更广泛的蛇纹岩化与广泛裂解时,剥离或许对大陆地壳的形成与改造以及板块重新布局发挥过重要作用。
现代地球上,剥离可能相对罕见,因为需要一系列偶发但关键的条件:年老且厚重的洋岩石圈、广泛的蛇纹岩化层以及两侧存在的纵向弱区或断裂带。 此外,剥离作为俯冲起始的前奏或替代机制具有重要启示。在许多情形下,俯冲起始难以在平坦的大洋板块内部自发发生,因为需要克服板片弯曲与粘性阻力。剥离通过局部削弱并移除岩石圈下部,可能降低形成稳定俯冲界面的门槛,促使俯冲在随后更易建立。因此,剥离可以被视为潜在的俯冲起始催化剂,尤其在超延伸或断裂化严重的被动边缘与边界散布区。 对区域地震风险与防灾的启示 鉴于剥离体下的隐伏断层能够产出极高震级事件,西南伊比利亚及其沿岸国家面临的地震与海啸风险应重新评估。
传统海底地形或近岸断层的可见性不足以完全反映潜在深源地震的危险性,因此必须结合深部地球物理成像、海底地震台长期观测和精确的历史地震资料重建。对于里斯本、阿尔加维与更广泛的大西洋沿岸带,理解潜在剥离或俯冲起始过程对于制定合理的抗震与海啸预警策略至关重要。 未来研究方向与数据需求 要继续验证并细化海洋板块剥离的假说,需要若干方面的数据与研究投入。高分辨率的海底地震反射与折射剖面能够更好地约束浅部结构与蛇纹岩化层的厚度与延伸。增加长期部署的海底地震台与海底地震事件的高精度定位将改善震源分布与断层几何的判定。三维数值模拟与热-力学耦合模型可用于探讨不同参数(如蛇纹岩化程度、弱区宽度、板龄差异)对剥离触发与演化的影响。
地球化学证据与海底采样对于确认上覆沉积与露出地幔地质的组成亦十分必要。 结语 西南伊比利亚海域的多学科研究表明,海洋岩石圈剥离在特定构造条件下是可能发生的,并能解释一系列长期未解的观测现象,包括深部高速异常、深中深度地震簇、较小的浅层短缩量与沿海高震级地震的来源。蛇纹岩化弱层和纵向弱区的相互作用是这一过程的关键。海洋板块剥离不仅为理解现代地震危害提供了新的视角,也为研究板块演化与俯冲起始机制增加了重要线索。未来通过更密集的地球物理观测与更高精度的数值模拟,将有望进一步揭示海洋剥离的发生条件、演化路径和全球地球动力学意义。 。
