Nature:一个构造板块的走滑基底*



Nature:一个构造板块的走滑基底*

方震王远编译

(安徽省地震局，合肥230031)

2015年2月5日，《Nature》发表一篇题名为“地球科学： 一个地震构造板块的走滑基底”(Earth science: The slippery base of a tectonic plate)的文章。文章指出，当太平洋板块下沉到新西兰下方时，板块基底高分辨率成像揭露了一条10 km厚的通道，该通道将板块从上地幔底部分离出来。

板块构造学说认为，地球的外壳，即岩石圈，由几个刚性板块构成，它们相互移动，覆盖到较弱流动的软流层之上。岩石圈的底部，即岩石圈-软流层边界(LAB)，是我们理解板块构造活动的关键，尽管学术界关于决定板块硬度和厚度机制的讨论还争议颇多、 未有定论。Stern等人描述了他们是如何在钢质套管的钻孔中利用爆炸源形成的地震反射波成像下降到新西兰下方的太平洋板块。他们在10 km厚的通道顶部发现了一个不到1 km厚的LAB，在那里形成低的地震波速也许需要水和熔化物。作者认为这条薄的通道将岩石圈从软流层解耦出来，为板块构造活动的产生提供了条件。这样一个局部通道的存在会影响到板块构造的驱动力和地幔动力。

近50年来，板块构造学说一直是地球科学的核心理论。它是现代地球科学的基础，为我们理解各大陆和大洋盆地的形成以及地球演化提供了理论框架。然而仍有未解决的问题存在，例如“板块的基底在哪里？”和“板块形状是如何变成的？”。学界已用很多替代品估计构造板块基底的性质和深度，但是迄今为止仍没有形成一致的结论。刚性岩石圈向软流层移动这一过程，传统上都以温度来界定。温度对岩石的粘性(即流动能力)有很大的影响。

如果温度是板块运动唯一的决定性因素，那么我们就应该会看到岩石圈是向软流层逐步转化的。然而，在过去的十年间，高分辨率成像技术采集到的由岩石圈基底发散出来的地震波测量结果表明，岩石圈向软流层的转变是急剧的。这表明，软流层中必然存在诸如水或融化物等起弱化作用的另一机制，也由此定义了LAB。

Stern等人采用的数据是在进入地球深处后被反射回地表，再由位于新西兰的地震仪检测记录的人工爆破地震波数据。由于地震波在高频振动，作者得以将低地震波速通道成像，并推测LAB厚度。他们推测出来的LAB厚度是迄今为止岩石圈向软流层转化的最严格限制条件之一。同样颇具意义的是，他们的报道结果认为12亿年的太平洋板块的厚度为73±1 km，这个数据也比经典的关于洋壳逐渐冷却的传导热模型预测的结果薄。最后，地震波速大约在10 km深处增加，且与LAB平行，被认为是解耦通道的基底。

如果推测出的LAB代表了板块基底，那么板块如此薄也许就能解释超过7千万年的海洋底部没有下层的谜团。然而，推测出的LAB究竟是否为板块基底取决于作者的研究机制。在太平洋板块下沉差不多深度的地震波速不连续性成像有时被阐释为构造各向异性----地震波速取决于方向。单纯的利用各向异性来解释地震波速的不连续性未必需要与LAB等同起来，因为在先前的变形期内，各向异性构造或许已被凝固在了板块上。尽管不是毫不可能，但一个外来的不均匀物质也许是需要的，但是这或许与岩石学水平剪切方向理论会不一致。

所以，作者们提出的假设是，在通道内有水和熔化物，这弱化了地幔并决定了板块基底。随着深度加深而增加的水合作用或许可与在洋中脊板块形成过程中的浅层脱水作用有关(图1)，然而熔化物可能是由俯冲构造或熔化物的复杂地幔流造成的。必须要开展进一步研究以寻找任何已存的熔化物，因为据预测正常的海洋岩石圈在73 km深处冷却，未必就会融化。如此一来，就需要从地幔更深的地方到太平洋板块基底稳定地供给熔化物，假设熔化物是沿着板块基底移动的。

图1　太平洋板块俯冲模型

通道的存在本身更是一个谜，它是如何在10 km深的范围内形成、 为什么形成仍不可知。或许阶段转化或是融化物蓄存产生的水在一定的深度范围内发生。这些发生在特定的位置，在这里，板块运动偏离地幔流，例如就有报道在新西兰和哥斯达黎加发现了类似的通道。总的来说，通道在某种程度上解释了LAB令人费解的性质。依赖于低频波的地震成像技术几乎捕捉不到那些狭窄的通道，这也许能解释不同方法探测到的LAB是间断的、 存在差异的。为了全面地了解这些通道，我们需要对他们的存在位置给出更多限制条件。

然而，全球通道成像可能会很难做到。各向异性在LAB中可能是重要的，若没经过周全考虑或许会影响结果。另外，需要高地震波频率来区分微观尺度通道，尽管Stern和他的同事们所做的研究并非在全球都适用。最后，这些通道对板块在软流圈下的解耦和板块构造驱动力发挥了什么作用？ 要弄清楚这些问题，需将更为严格的地震限制条件与实验室实验和地球动力学模型相结合。

文献来源： Catherine A R. Earth science: The slippery base of a tectonic plate. Nature，2015，518: 39-40. http:∥www.nature.com/nature/journal/v518/n7537/full/518039a.html

(编译者电子邮箱, 方震： fzhen215@126.com)

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收稿日期：*2015-05-26。

中图分类号：P541；

文献标识码：D； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2015.12.001