地球深部有面“放大鏡”？科學家發現它在中國大盆地形成中的貢獻

在我國廣袤的土地與海域之下，隱藏著諸多令人費解的地質謎題。松遼盆地、渤海灣盆地、南海等研究區，都是油氣資源豐富的重要區域。它們的共同特征是盆地中的沉積層異常厚，這種沉積堆積與油氣儲藏密切相關，因此中國的科學家一直想通過對此類沉積盆地進行更深入的研究，從而幫我們解讀油氣資源富集的原因。

所謂盆地，指的是在地勢上比較低洼的區域，河流、湖泊以及海洋會源源不斷帶來沉積物堆積在此，因而形成厚厚的沉積地層。形成盆地的應力條件包括拉張、擠壓和走滑，而對于拉張盆地中的裂谷盆地而言，地球物理學家McKenzie曾提出著名的“純剪切拉伸模型”來解釋裂谷盆地沉降過程。

這一理論將裂谷盆地沉降分為兩個階段：1）構造沉降階段。即在拉伸作用下，地殼變薄并隨之下降，形成一個初始的盆地。這一階段因為地殼被拉薄，巖石圈底部也更容易被地球內部的熱量加熱。2）熱沉降階段。該階段巖石圈開始慢慢冷卻，冷卻后的巖石圈地幔物質密度會增大，這種密度的增加導致巖石圈整體緩慢下沉。這是一個非常緩慢且長期的過程，通常會持續數千萬年甚至上億年，是裂谷盆地總沉降量的重要組成部分。若沒有后續伸展、擠壓等巖石圈改造作用的疊加，盆地基底的深度會無限趨近于某一固定值（圖1a）。

破題：經典理論為何失靈？

然而，在諸如松遼盆地、渤海灣盆地等研究區，基底似乎在巖石圈應力趨于中性后又突然經歷了至少一期的加速沉降，致使當今基底深度（沉積物厚度）遠大于基于拉伸量的理論預測值（圖1b-1c）。前人研究表明，在巖石圈層位的動力學演化過程（如：周緣俯沖、區域伸展、巖漿底侵、地殼流等）很難解釋此類出現在較薄陸緣巖石圈之上狹長區域內的“異常”沉降現象。

經典理論解釋不了，呼喚新理論的登場。

圖1裂谷盆地沉降過程的理論模型與“非典型”案例。（a）不同伸展量（β）下的理論沉降過程（McKenzie, 1978, EPSL）。（b）松遼盆地白堊紀沉降過程的重建模型。（c）渤海灣盆地新生代沉降過程的重建模型。

（圖片來源：中國科學院廣州地球化學研究所）

揭密：深部“導演”的雙人舞

為了搞清楚到底是什么導致了這種異常沉降，中國科學院廣州地球化學研究所徐義剛院士團隊將目光投向地球更深的地方。

經團隊研究發現，在出現過異常沉降區域正下方的深部地幔，都（曾）存在有疑似的下地幔上涌（地幔柱）與地震波高速體共存的現象（此類高波速結構可能代表了俯沖板塊或拆沉巖石圈塊體，在此統稱為“殘余塊體”）（圖2）。

圖2典型研究區的地幔波速結構。（a）圖d的切面位置圖。（b）圖f的切面位置圖。（c）圖g的切面位置圖。（d）東北亞地幔波速結構切面。（e）東北亞750公里深處的平均波速結構。（f）黃石-斯內克河平原下方的地幔波速結構切面。（g）中國南海下方的地幔波速結構切面。

（圖片來源：中國科學院廣州地球化學研究所）

圖3. 前人研究揭示地幔柱的地形響應以抬升為主。取決于巖石圈的先存應力狀態，地幔柱可以導致地表出現長波長（a）或短波長（b）的抬升。

（圖片來源：中國科學院廣州地球化學研究所）

團隊成員聯合國內外學者基于正演數值模擬與多學科觀測的約束，開展了系列的探索性研究工作。在團隊成員測試的許多模型參數條件下，與前人研究一致，地幔（柱）上涌過程通常會導致地表出現較為廣泛的抬升（圖3）。然而，當660公里深處相變密度跳變 ≥7% 且相變克拉貝龍斜率>-2.8 MPa/K時，在上涌物質到達巖石圈底部之前，地表容易出現幾十米至八百米深不等（主要取決于巖石圈的厚度，越薄響應越顯著）、1000-2000公里寬的沉降區（圖4b）。

之所以出現這樣的現象，是因為該條件下的深部地幔上涌過程容易在巖石圈底部誘發快速的離散對流場，對流拖拽作用會導致上覆巖石圈拉伸、減薄與沉降（圖4b）。但是，該沉降區卻難以長久維持，當上涌物質到達巖石圈底部后，地形會出現反轉、甚至恢復到沉降前的狀態（圖4c）。

圖4. 代表性數值模型結果。（a）-（c）僅地幔上涌的模型。（e）-（f）地幔上涌與沉降殘余塊體共存的模型。團隊測試過的其他動力學演化過程見文章正文。

（圖片來源：中國科學院廣州地球化學研究所）

以上短暫存在的廣泛沉降區的沉降幅度，會因為地幔上涌途中接近正在下沉的殘余塊體而加強至公里級，但沉降中心的寬度卻會顯著縮小至200公里左右（圖4d-4f）。這是因為，殘余塊體在地幔中的下沉過程，無論快與慢，都可以通過引發地幔對流而降低地幔巖類的位錯蠕變粘滯系數，并使得上地幔中更容易形成較大的對流速率（當然，深部地幔上涌的存在也會有助于殘余塊體沉降速率的提升，二者是相互影響的，不同動力學背景下產生的效應可能疊加或抵消，此處表現為淺表地形響應的疊加）。

因此，在同樣的浮力條件下，地幔上涌的速率得以提升，其所觸發的巖石圈底部的離散對流場也得到加強。離散對流場在巖石圈底部的拖拽作用與殘余塊體沉降所觸發的動力地形會共同導致地表出現公里級的沉降（圖4e）。

此外，在該類模型中，地幔上涌的路徑會在上地幔發生大幅偏折，進而導致沉降中心偏離下地幔上涌的正上方；當上涌物質到達巖石圈底部后，只會觸發沉降區一側的地形發生反轉，未受到上涌托舉影響的另一側巖石圈，因之前經歷過離散對流場的拖拽改造，其公里級的低洼地形最終得以保留（圖4f）。

效果：“透鏡”如何塑造大地

總結來說，這項研究提出，下沉殘余塊體會像“放大鏡”一樣，把深部地幔上涌（柱）對地形的影響放大并聚焦到相對有限的區域，導致狹長帶內出現可維持的地表沉降，研究團隊將該現象稱為殘余塊體對地幔上涌的透鏡式聚焦效應（圖5）。

通過與多學科觀測結果的比對，團隊數值模型所揭示的深部動力學機制，可能為解釋在陸緣狹長地帶內發育的、早于活躍巖漿活動（如地幔柱）且在巖漿活動結束后仍可維持的異常沉降現象提供新思路。

圖5. 殘余塊體對深部地幔（柱）上涌的透鏡式聚焦效應示意圖

（圖片來源：中國科學院廣州地球化學研究所）

該研究還表明，在缺乏決定性地質學或地球物理學證據的研究區，下地幔低波速結構、上地幔高波速結構與淺表狹長地帶內異常沉降現象的共存，可能為指示深部地幔存在有快速的物質上涌或正在形成的地幔柱提供判別依據。同時，這一研究強調了地球內部在表生系統中的作用，符合“深部過程塑造地表”的新理念，為我們理解地球提供了新的思路。

出品：科普中國

作者：劉亮（中國科學院廣州地球化學研究所 副研究員）

監制：中國科普博覽