地球物理学家搜遍全球寻找地幔柱新证据
时间:2017-12-07

  地球物理学家在世界寻找地幔柱的新证据 - 新闻 - 科学网

  通过释放地壳内压抑的热量,地幔柱在几十亿年的地球演化过程中发挥着至关重要的作用。

  在法国的留尼旺岛,皮尔顿德拉富内兹下面可能会有地幔羽。

  图片来源:RICHARD BOUHET

  今年秋天,卡琳·西格罗赫(Karin Sigloch)驶入印度洋,探索一年前在这里建立的监视器。这一次,她不是在寻找深海动物,而是更深奥,更难以捉摸的东西。地球内部热岩的崛起。

  作为德国慕尼黑大学的地球物理学家,Sigloch致力于研究地幔柱。地幔柱的一些特征被认为是支持地球上大部分的活火山,引发了历史上最大的火山喷发。例如,西格洛奇(Sigloch)观察到的一种现象与六千五百万年前印度的火山爆发有关,那时火山爆发的规模可能会导致恐龙死亡。

  神秘的地幔羽

  地幔柱也解释了为什么夏威夷火山和其他火山在地壳板块中间形成。另外,通过释放地壳内被压住的热量,地幔柱在数十亿年的地球演变过程中起到了至关重要的作用。

  地幔柱研究一直是地球物理学的主流。早在二十世纪七十年代就开始了各种地幔柱投机活动。科学家们争论了四十多年的自然现象,认为地球内部的热量和物质被一些未知的影响带回到地表,这是由地幔柱的上升引起的,这种地幔柱是由岩石用地震波来描绘地球的内部结构,地球化学知识揭示了地球深处的自然状态,并利用气象学家对气候变化的预报来模拟地幔运动,研究人员已经能够捕捉到地幔柱的线索。然而,一些评论家仍然怀疑地幔柱是否真的存在。

  这就是为什么Sigloch和他在法国留尼汪岛大学的同事Guilhem Barruol花了六个星期的时间在海上航行。法国和德国专家小组在2012年秋季遇到恶劣天气,设备故障和偶尔的鲨鱼袭击后,发现了57个地震仪。通过分析地震仪记录的地震波,研究人员计划绘制团聚岛下方的岩石分布图,以进一步确定地幔柱是否支撑该岛的主要火山。

  巴鲁勒说:到现在为止,人们一直习惯于谈论地幔羽,而没有直接观察。我们的实地考察会告诉你地幔羽是否存在。

  研究人员对夏威夷地幔柱的了解越深入,越是感到复杂。根据经典的地幔柱模式,热凝聚性岩石从地球底部涌入岩石圈并在此停留一段时间,直到它继续向上流动并最终成为火山熔岩的一部分,直到沉积约100km但是,地震图像在夏威夷呈现出独特的地下构造,岩石圈下方的地幔柱正在膨胀,这是一个惊人的结果。

  美国马诺阿夏威夷大学的地球物理学家马克思·鲍尔默认为,石油化学可以解释地幔柱的扩张。如果夏威夷地幔柱含有丰富的榴辉岩,由于榴辉岩的浓度大于正常地幔物质,它将在地下400公里处停滞。夏威夷的地幔羽将堆积在那里并水平延伸。最终,随着越来越多的热量从下而来,富含榴辉岩的岩石将像微型地幔柱一样摇滚起来。

  研究人员还发现了夏威夷地下的其他奇怪的现象。英国南安普敦大学的Catherine Rychert领导的一个研究小组利用地幔柱的数据来探测地球表面以下110-155公里的暖池,然而,研究小组发现,温池并不直接位于夏威夷群岛的主要岛屿,但在其以西大约100公里处,Rychert说,这可能表明夏威夷地幔在到达地表之后直线下降,这可能受到地幔柱向另一个方向移动的影响。或者地幔柱本身正沿着一个倾斜的通道移动。

  这些猜测的背后是关于地幔柱实验可以做出的深度的争论。要获得可靠的数据,地下1,500公里可能是其限制。 Sigloch和Barruol的目标之一是通过在留尼旺岛周围集中安排一系列工具来研究更深的地幔柱。西格洛奇补充说:“在这里,我们希望把观测范围延伸到地幔的下半部分,但是用同样的方法研究夏威夷地幔柱是不可能的。

  在这种情况下的罪魁祸首是夏威夷群岛的地理位置:它位于太平洋的中心。相比之下,留尼汪岛的优势在于它靠近马达加斯加岛,与非洲南部相对较近,研究人员可以更轻松地部署地震仪器。 Sigloch和Barruol的研究利用马达加斯加和非洲的数据。此外,他们还将仪器放置在莫桑比克海峡的一些岛屿上,作为Sigloch和Barruol在2012年开发的海底地震仪的补充。对留尼旺岛地幔柱的研究得到了共有120个地震台站,覆盖范围在2000-3000公里之间。

  但即便如此,夏威夷大学的地震学家和地幔柱研究主任塞西莉·沃尔夫(Cecily Wolfe)仍然认为留尼汪岛地幔柱的研究还不确定。她说:在这个地方成像地幔柱的工作是非常依赖于地形和技术和技术的应用。

  不管在留尼旺的研究结果如何,结果似乎不太可能说服那些批评地幔羽的少数人。美国科顿科罗拉多大学的地球物理学家沃伦·汉密尔顿(Warren Hamilton)就是其中之一,他们认为所谓的地幔浮力学家通过揭示地震数据发现了地幔柱。

  然而,毫无疑问,地幔羽比以前想象的复杂得多。

  最近在加利福尼亚州旧金山举行的美国地球物理联盟会议上,Rychert讨论了几个可能在夏威夷群岛,加拉帕戈斯群岛,冰岛和非洲东部Farr地区分布地幔柱的地震研究。但相关的探测器只能探测到地下数百公里的深度,不能穿透地幔内部。

  在大多数研究中,如夏威夷群岛,Rychert发现了一个类似于地下100公里的熔岩池的地质特征,认为这是由地幔柱形成的。 Rychert还通过研究发现,这些地幔柱的位置并不总是符合研究人员的预期。

  Rychert在加拉帕戈斯群岛标注了三个地质熔岩状的地质特征:一个是最初检测到地幔柱的地方,另外两个是在其他地点。这一发现可能意味着地幔柱一旦到达岩石圈,就会向四面八方蔓延,其路径将被抵消并最终融入不同的火山。 Rychert说:地震研究方法使我们能够更详细地研究地幔柱,有时观测更复杂的现象,这使我们对这项研究感到兴奋。

  Sigloch和Barruol预计在接下来的几个月里将会经历许多激动人心的时刻。几天前,他们的研究船被载入地震数据和其他有价值的信息回到留尼旺港。他们将花费至少一年时间对这些数字进行深入分析,以确定留尼汪岛下面的地质活动究竟是怎样的。幸运的是,他们已经从水下地震仪获得了他们想要的数据。

  (段辛涔)

  “中国科学”(2013-12-17第3版国际)