PDF《超羽流：地幔的深层结构》

科技文化:专题报导 二十一世纪双月刊 1999年8月号 总第五十四期 一 地壳板块结构 地球#面到底是怎麽一个状况?这经过地 质学家近半个世纪的努力,我们总算是有了一 个粗略认识.

地球和鸡蛋的构造有点相像 (虽然 形状并不一样) ,外面包Z的,是极薄的固体 硬壳,即厚约数十公里的地壳;

#面相当於 蛋白部分的是黏度颇高的炽热熔岩,即地幔 (mantle) ;

相当於蛋黄的中央部分是温度和密 度都更高的铁核心 (core) . 二者不同之处,是那薄薄一层地壳并非完 整相连,而是由 「浮」 在地幔上,不断缓慢移动 的 「板块」 构成.例如大西洋和太平洋底部都由 薄板块构成,它们从中央分裂,其两侧板块不 断外向移动,形成裂沟,其中不断有炽热熔岩 从地幔涌上来,造成大洋底下延绵数千公里的 所谓 「洋央山脊」 (mid-ocean ridge) ,以及其两侧 平铺於海底的新岩层.外移的薄板块碰到厚得多 的大陆板块,则形成洋缘深沟,并沿之下沉而 「潜没」 (subduct) 到地幔中去.大陆板块本身也 在移动:例如印度板块挤向欧亚大陆板块,从 而形成喜马拉雅山脉和青藏高原 (彩页图 a) . 此外,我们还发现,地幔也并非静止:它 在某些固定位置产生不断上升的熔岩涌流, 即所谓羽流 (plume) ,而这会穿透海洋底下的 板块,造成海底或突出洋面的火山.由於板 块不断移动,这些在固定 「热点」 的羽流所造 成的山?便显现为连串?峦,甚至千百公里 长的山脉,夏威夷群岛就是其中最有名的例 子. 地壳板块为甚麽会不断移动?基本理由是 地球高温核心的热能无法以传导 (conduction) 方 式通过地幔散发到地面,因此令处於半熔状态 的地幔内部出现对流,后者转而令浮在地幔上 的地壳板块移动.所以,地壳的板块结构 (plate tectonics) 和运动,基本上是由地球内部散热过 程驱动的. 二 为地球内部分层造影 在80年代以前,地质学家的注意力主要集 中於地壳板块;

近二十年,研究重点则转向地 球内部,即地幔和地核之中.研究的方法主要 是把世界各地不同监测站所录得的大量震波纪 录,加以详细分析.由於不同性质的震波在不 同密度、温度和成分的介质之中有不同速度, 而震波又会从震源依循许多不同途径,即经过 地表以及地球内各部分,到达远方的监测站, 所以综合研究这些震波纪录,便可以反过来推 求地球内部的深层结构.这和医学上所谓CT (computerised tomography) 造影法,即以X-光 从各个不同角度穿透人体,然后根煌颂 组织的吸收率反求内脏影像,是十分相似的, 因此又称震波分层造影法 (seismic tomography) . 地球内部结构变化非常缓慢,所以每次地震所 「照耀」 的都是同一结构.只要累积了足够资 料,并且用够快、够先进的计算机仔细分析, 那麽其内部结构细节自然就会慢慢呈现. 三 地幔结构的造影图 在今年五月间举行的美国物理地质学年会 (AGU) 上,初次出现了利用上述技术直接以电 脑测绘出来的精细地幔对流结构图 (彩图 b) , 它初步解决了地幔到底是整体,抑或如以前那 样可以分为 「上幔」 (厚600-700公里) 和 「下幔」 两 层的争论.它显示,在大陆边缘 「潜没」 的海底 板块 (它温度较低而密度较高,因此震波波速也 超羽流:地幔的深层结构

96 科技文化:专题报导 较高) 是从地壳向下伸延,穿过整个地幔,到达 地球核心―地幔界面 (即 「核幔界」 ) ,然后才沿 界面向四周扩散.在加勒比海下面,以及太平 洋西面诸如鄂克斯海、马利安纳群岛、中爪哇 等地,都发现了这样的穿越上、下幔,笔直下 沉的冷板块.因此地幔是一整体的观念,已逐 渐为多数地质学家接受1. 更令人惊奇的是,地幔#还有广袤数百公 里,从 「核幔界」 一直上升到地壳的所谓 「超羽 流」 (Superplume):它基本上是一股温度高於 (因 而密度和震波速度则低於) 四周的巨大上升熔岩 流.这其中最清晰可辨的,就是所谓 「非洲超羽 流」 :它的 「根」 位置相当於南非好望角下面的核 幔界面;

它并非笔直上升,而是向东北方向倾斜 (这大致是由地球的自转造成) ,到达地壳时位 置大约已在红海南端埃塞俄比亚附近.除此之 外,在冰岛下面和太平洋西南部也另有两股超 羽流,虽然它的结构造影没有那麽清晰2. 四 非洲超羽流 其实,长期以来,地质学家都为东非和 南非高原海拔达到一公里左右,而其附近海底 也比正常深度隆起 (即所谓 residual bathymetry) 了500米左右感到困惑.现在,这一现象可以很 自然地用非洲大陆底下的超羽流所产生的强大 上涌力加以解释了.去年华盛顿卡内基学院 (Carnegie Institute of Washington) 的两位地质学 家就已经应用由前述震波分层造影法所得的地 幔密度变化资料,算出了由於非洲超羽流的上 涌而造成的地壳隆起 (彩图 c及d) .他们认为, 有不少ü象显示,这一超羽流在大约4,500万年 以前初次在埃塞俄比亚附近冲击非洲板块底层, 然后顺Z板块下面的深坑分别向东西两个方向流 散,流距达到5,000公里――也就是说,从非洲 西岸的喀麦隆以至东岸的马达加斯加岛的地层构 造和火山活动,都可以用这超羽流统一解释3. 因此,一个相当简单的地幔结构 (mantle tectonics) 图像已逐渐形成:地幔基本上可以分 为若干对流格 (convection cell) :格的边界是由 冷的、从地壳直抵核幔界的下降板块形成,其 中央则是热的、上升的巨大超羽流.地球核心 的高热藉Z这巨大对流而散发到地面,地壳板 块的移动以及其升降也是与这内部动态结构密 不可分的. 两年前我们报导了藉Z震波分析而测得的 地球内核与外核之间的相对转动4;

最近产生 地球磁场以及上述相对转动的机制也通过模拟 计算初步阐明5,现在地幔整体结构又已经测 绘出来.那麽,今后随Z计算机、计算技术以 及地震测量的不断进步,震波造影法变得更精 密、准确、全面是可预期的,届时地球内部就 再不会有多少秘密了.

1 Richard A. Kerr, Science 275,

613 (31 January 1997).

2 Richard A. Kerr, Science 284,

1095 (14 May 1999) & 285,

187 (9 July 1999).

3 C. Lithgow-Bertelloni & P. G. Silver, Nature 395,

269 (17 September 1998).

4 《二十一世纪》39,123 (1997年2月) .

5 G. A. Glatzmaier & P. H. Roberts, Science 274,

1887 (13 December 1996). 图1 地球以及地幔内部构造示意图 沉降冷板块 地壳 太平洋非洲上升 超羽流 核幔界 地幔 液态外核 固态内核 Reprinted with permission from Science

285 , 187. Copyright

1999 American Association for the Advancement of Science.