環(huán)太平洋地區(qū)有什么？讓地震波出現(xiàn)波速異常

前言

地球科學(xué)領(lǐng)域長期以來一直對環(huán)太平洋地區(qū)俯沖洋殼的低速異?，F(xiàn)象有著濃厚興趣，多年的研究涌現(xiàn)了各種猜測。根據(jù)我們發(fā)表在 Journal of Geophysical Research: Solid Earth 上的最新研究：“Low-Velocity Structure of Subducted Oceanic Crust in the Upper Mantle: Insights From High Pressure and Temperature Elasticity Measurements of Aragonite”，我們認(rèn)為這一異常的低速可能是由揮發(fā)性物質(zhì)“碳水”的協(xié)同效應(yīng)引起的。

說到這里大家可能有點(diǎn)一臉懵，環(huán)太平洋地區(qū)俯沖洋殼是個啥？為啥要研究它？低速異常到底異常在哪兒？還有這個“碳水作用”他指的是大米飯的碳水嘛？下面就讓我來給大家講講 這到底是怎么個事兒。

1、俯沖板片是什么？

俯沖板塊是指地球上的地殼板塊在板塊邊界處下沉到地幔深處的過程，對地球演化、地震、火山活動、地質(zhì)資源分布以及大地構(gòu)造和板塊動力學(xué)等方面的研究具有重要影響。俯沖板塊下沉是指地球上兩塊地殼板塊之一在板塊邊界附近向地球內(nèi)部下沉的過程。

板塊俯沖是全球板塊構(gòu)造學(xué)說的一個重要組成部分，板片在俯沖中過程中，會攜帶不同的物質(zhì)組分到地球內(nèi)部，包括導(dǎo)致火山噴發(fā)的流體，因此俯沖過程是地球內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)的一個重要途徑。通過深入研究俯沖過程，科學(xué)家能夠更全面地理解地球的內(nèi)外部動力學(xué)過程，揭示自然災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制，以及為資源勘探和地球演化的理解提供關(guān)鍵信息。

最重要的是，俯沖板片是造成地球內(nèi)部物質(zhì)分布不均一的重要原因：

第一，當(dāng)一塊地殼板塊在板塊邊界附近下沉到地球內(nèi)部時，它攜帶著一些特定的物質(zhì)成分，這與周圍地區(qū)的物質(zhì)有所不同。這一過程引起了地球內(nèi)部物質(zhì)的成分差異，從而導(dǎo)致地球內(nèi)部物質(zhì)的不均勻分布；

第二，俯沖板塊通常相對較冷，其低溫特性導(dǎo)致其地震波速相對較高，進(jìn)而引發(fā)異常現(xiàn)象。

2、環(huán)太平洋地區(qū)俯沖板片怎么異常了？研究它干什么？

大部分情況下，俯沖板片的大部分區(qū)域因為溫度較低而表現(xiàn)出高波速的特征。然而，在環(huán)太平洋地區(qū)，俯沖板片的情況有些不同 —— 這些俯沖板片的頂層出現(xiàn)了一種波速異常，即當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^這一區(qū)域傳播時，其速度相對較慢，與周圍地區(qū)相比呈現(xiàn)出異常的現(xiàn)象。這種神秘的現(xiàn)象激發(fā)了科學(xué)家們的好奇心，因為它暗示著這個特定地區(qū)的地下世界可能蘊(yùn)藏著相較于其他地方的獨(dú)特之處?；蛟S，地球的內(nèi)部還有一些令人驚喜的秘密等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。   

首先，俯沖板片的異常低速對于自然資源勘探具有重要的意義，因為它反映了板片與周圍地幔的復(fù)雜相互作用，對于揭示地球內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換有重要價值。這種異常低速可能與礦物的形成和富集、石油和天然氣的生成和運(yùn)移、地?zé)崮艿姆植己屠玫扔嘘P(guān)，為自然資源的探測和開發(fā)提供了重要的線索。

其次，環(huán)太平洋地區(qū)本身就是地震和火山活動最頻繁的地區(qū)之一。環(huán)太平洋地區(qū)被稱為“火環(huán)帶”，這是因為這一區(qū)域擁有眾多俯沖帶，即海洋板塊在這些區(qū)域下滑進(jìn)入地幔的地方。這些俯沖帶是地震和火山活動頻發(fā)的主要原因?？茖W(xué)家通過監(jiān)測這些板塊運(yùn)動的異常模式，如地震波的變化、地殼形變、氣體排放等，結(jié)合地球物理、地震學(xué)和火山學(xué)等多學(xué)科交叉的數(shù)據(jù)分析和模型模擬，可以更好地預(yù)測地震和火山爆發(fā)的可能性和潛在地點(diǎn)。

3、異常的低速是什么原因造成的？

關(guān)于這個問題很多學(xué)者做了各種各樣的工作，也提出了很多有可能的解釋：

其中有一種說法是與水有關(guān)，認(rèn)為俯沖板片的下沉帶入了大量揮發(fā)性物質(zhì)，尤其是水。水是一種重要的揮發(fā)性物質(zhì)，可以影響巖石的物理性質(zhì)和變形行為。水可以以不同的形式存在于俯沖板片中，如水化礦物、含水礦物、無水礦物中的羥基、流體包裹體等。水可以降低巖石的熔點(diǎn)、增加巖石的塑性、減小巖石的密度、增加巖石的電導(dǎo)率等，從而導(dǎo)致俯沖板片的速度降低。水還可以在俯沖板片與周圍地幔的界面上促進(jìn)熱化學(xué)交換，形成含水礦物或部分熔融礦物，進(jìn)一步降低波速 ^{[1, 2]}。

但是，我們可以看到下圖中，含水礦物在這個深度最有可能存在的就是硬柱石（右圖，穩(wěn)定性分析），但是其仍然不能解釋觀測到的低速（左圖，波速分析，只有 2% V_P），因為這個數(shù)值明顯低于預(yù)期的觀測值范圍，后者通常在 3-4% 之間 ^[3]。

然而，根據(jù)我們的研究，除了水分外，碳元素也被認(rèn)為是一個在地球內(nèi)部揮發(fā)性元素的重要代表。特別是在深部，碳以碳酸鹽的形式被引入地球內(nèi)部，這是碳元素的一個重要載體。當(dāng)碳隨著俯沖板片進(jìn)入到地球內(nèi)部時（如左圖所示，涉及全球碳循環(huán)過程），在地球內(nèi)部高溫高壓的條件下，碳會以不同的相態(tài)存在。在深度介于 150 到 250 公里之間，碳酸鈣被認(rèn)為是最穩(wěn)定的相態(tài)，具體表現(xiàn)為文石相（如右圖所示，展示了碳酸鈣的高溫高壓相圖）^{[4, 5]}。

然而，令人困惑的是，單一的碳酸鈣相態(tài)也無法完全解釋觀測到的波速特征。于是，我們繼續(xù)尋找其他因素和機(jī)制……

碳隨俯沖板片進(jìn)入到地球內(nèi)部

既然“水”和“碳”都不能獨(dú)立的解釋這一現(xiàn)象，那會不會是碳和水一起導(dǎo)致的呢？

通過繪制碳酸鹽、含水礦物和深度之間的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)在環(huán)太平洋地區(qū) 150-250 km 深度的俯沖板片頂層存在 3-4% V_P 和 3-7% V_S 的低速。由于單獨(dú)的碳酸鹽和含水礦物最多只能解釋 2% V_P 和 4% V_S，我們可以看到下圖中 x 軸達(dá)到最大 (y 軸為 0) 時，即只有含水礦物的情況，V_P 低速只有~2%。因此這不能僅通過單一揮發(fā)分解釋，更可能是由“碳水”協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致的。這一發(fā)現(xiàn)為我們深入理解地球內(nèi)部動力學(xué)過程提供了新的線索。

終于我們可以確定，環(huán)太平洋地區(qū)俯沖板片的低速異常是由于“碳水協(xié)同效應(yīng)”，即含水礦物和碳酸鹽在地球內(nèi)部的聯(lián)合作用。這個發(fā)現(xiàn)為解開這一地質(zhì)謎題提供了關(guān)鍵的答案，表明了這兩種揮發(fā)性元素在地下的協(xié)同影響是導(dǎo)致波速異常的關(guān)鍵機(jī)制。這一認(rèn)識不僅有助于深化對地球內(nèi)部的理解，還對地震和地質(zhì)活動的研究以及自然資源勘探等領(lǐng)域具有重要的實際意義。

后記

本文章的主要觀點(diǎn)來自“Low-Velocity Structure of Subducted Oceanic Crust in the Upper Mantle: Insights From High Pressure and Temperature Elasticity Measurements of Aragonite”，該文章發(fā)表在于地球科學(xué)領(lǐng)域國際著名學(xué)術(shù)期刊 Journal of Geophysical Research: Solid Earth (https://doi.org/ 10.1029/2023JB027838)。通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院毛竹教授，第一作者為博士研究生李絡(luò)。共同作者包括，于英鑫博士，張文博士，密歇根大學(xué)安娜堡分校盧佳琪博士，吉林大學(xué)李新陽教授。相關(guān)實驗在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高溫高壓礦物學(xué)實驗室、上海同步輻射光源完成。本工作受到中科院戰(zhàn)略先導(dǎo) B 項目 (Grant No. XDB41000000)，國家自然科學(xué)基金 (Grant No. 41590621 和 42241117) 以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi) (Grant No. WK2080000144) 資助。

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本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：李絡(luò)

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