作者：Barbara Romanowicz
來源：《自然》 發(fā)布時間：2015/10/29
| 地幔柱的“地心游記” |
| 科學(xué)家闡釋柱狀熔巖流軌跡之謎 |
熱點(diǎn)區(qū)域研究人員辨識出了地幔中28處柱狀溶巖流，它們幾乎全與被稱為熱點(diǎn)區(qū)域的火山地區(qū)相對應(yīng)?。?/span>
地球內(nèi)部的一個重要特征已成為關(guān)注焦點(diǎn)。40多年來，地質(zhì)科學(xué)家一直在討論地球的熱點(diǎn)區(qū)域，即數(shù)百個火山區(qū)域向地表凸起，看起來就像有一些高溫物質(zhì)從地下持續(xù)向上推動地表或是由于地幔柱造成的。地幔柱即從距離地表3000公里的地核附近產(chǎn)生的柱狀熔巖流。
該理論支持者引用的物理模型認(rèn)為，像沸水中的泡沫一樣，當(dāng)?shù)蒯Ｏ路绞軣釙r，地幔柱也可以自然而然地產(chǎn)生。地震學(xué)家利用地震波進(jìn)行核磁共振成像（MRI）X線斷層攝影技術(shù)，觀察到地幔上方熔巖柱的跡象。但一直以來缺乏證據(jù)證明，地幔柱會從地心持續(xù)延伸，一小部分科學(xué)家則主張，熱點(diǎn)區(qū)域可能是由距離地表較淺的熔巖庫所導(dǎo)致。
現(xiàn)在，一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，熔巖柱會一直向下延伸。通過利用精尖技術(shù)獲取到史無前例的地震記錄細(xì)節(jié)，研究人員發(fā)現(xiàn)了28處地幔柱的證據(jù)，其中大多數(shù)位于火山熱點(diǎn)區(qū)域下方，從地心持續(xù)、垂直上涌?！叭绻覀兊某上窠Y(jié)果合理，那么我們已經(jīng)解決了爭端。地幔柱確實(shí)存在?！泵绹又荽髮W(xué)伯克利分校地球物理學(xué)家Barbara Romanowicz說，近日她和同事Scott French等人的相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》雜志。
此次的實(shí)證研究結(jié)果讓很多科學(xué)家感到驚奇。Omanowicz表示，這些地幔柱的寬度可達(dá)600~800公里，是此前預(yù)測模型的3倍多。因此，地幔柱攜帶的地心熱量比此前認(rèn)為的也高得多。而且，它們的最深處非常筆直，不會在下地幔的巖漿流中徘徊。“很有可能，科學(xué)家需要重新思考下地幔的運(yùn)行方式?！彼f。
其他研究人員則對此項(xiàng)研究表示贊賞。“他們的X線斷層攝影術(shù)工作確實(shí)是一項(xiàng)杰作?！泵苄髮W(xué)地球動力學(xué)家Peter van Keken說，“此前研究模型中的謎題變得清晰了。”Van Keken感到好奇的是，深度小于1000公里的地幔柱存在的扭曲和彎度。他認(rèn)為，1000公里處地幔柱行為的這些變化可能表明了上升熔巖流的一個未知階段，使其變得不那么僵直。
對于地幔柱令人驚奇的規(guī)模，van Keken表示，這與一種新觀念相一致，即熔巖柱可能是由地幔周圍不同的物質(zhì)組成。如果一個熔巖柱聚集了靠近地幔邊界的濃密的玄武巖物質(zhì)，“它會讓熔巖柱移動速度降下來，并擴(kuò)大熔巖柱的寬度。”van Keken說。
法國尼斯－索菲亞·昂蒂波利斯大學(xué)名譽(yù)地球物理學(xué)家Guust Nolet表示，此前的研究表明了深部地幔柱的存在，但是此項(xiàng)研究深化了對地幔頂層和底層的認(rèn)識。他表示，如此龐大的熔巖柱將改變地球如何釋放內(nèi)部熱量（其熱量達(dá)到44兆兆瓦）的解釋。其中一半熱流據(jù)認(rèn)為可能來自于地球內(nèi)部的放射性元素，另一半熱流來自地心熱量。地球物理學(xué)家推測，地幔對流（流動熔巖的廣泛多孔模式）帶走了來自地心的多半熱量?！拔覀冃枰匦聦徱曔@一觀點(diǎn)，應(yīng)考慮到熔巖柱在其中扮演著更重要的角色?！眓olet說，“或許下地幔根本沒有進(jìn)行對流傳熱?！?/span>
此次新研究成果利用了一種叫作地震X線斷層攝影術(shù)的技術(shù)，晃動地球表面的大規(guī)模地震會發(fā)射出地震波，并擴(kuò)散至各個方向，當(dāng)它們遇到異常炙熱、密度較低的結(jié)構(gòu)時（如熔巖柱），波速度會放緩。根據(jù)對許多地震的測量結(jié)果，可以繪制出地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
然而這項(xiàng)研究結(jié)果未能讓英國杜倫大學(xué)地球物理學(xué)家Gillian Foulger信服，她一直對深部地幔柱持懷疑態(tài)度。她認(rèn)為，這項(xiàng)研究中的整個地震波技術(shù)仍處于萌芽階段。她還強(qiáng)調(diào)，Romanowicz 和French找到的大多數(shù)地幔柱位于大洋中的熱點(diǎn)區(qū)域下方，而采集這些地方的地震數(shù)據(jù)極為棘手。“如果數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，你會聽到很多噪音?！彼f。目前一些研究人員正在推動相關(guān)研究，以填補(bǔ)這一信息缺口。
但van Keken則認(rèn)為，支持深部地幔柱的證據(jù)很充分?！俺謶岩捎^點(diǎn)的人少之又少?！彼f。他表示，如果研究人員可以看到100公里寬的局部特征，那么就可以揭示洋殼板塊從俯沖帶垂直沒入地球內(nèi)部的結(jié)果。一些板塊可能會聯(lián)合徘徊在中部深度，另一些板塊可能會一直落入地心。但是要驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，需要建立頻度更高的（地震儀所記錄的）震動圖，這將需要更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)能力。“如果你不希望你的研究生永遠(yuǎn)畢不了業(yè)，那么就需要功能真正強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)?！眝an Keken說。（來源：中國科學(xué)報 紅楓）
