在全球構(gòu)造板塊的交界處，大洋深處的板塊正在逐漸消失在地幔中，這不僅是地殼周期性運動的一部分，而且也是塑造當(dāng)今這個星球的最重要原因之一。其中最直接的效果就是如今日本島的形成以及安第斯山脈的火山活動。
在地球科學(xué)工作者眼中，這一過程稱為俯沖，現(xiàn)在，他們正致力于重建數(shù)億年前的海底面貌及其兩側(cè)的山脈地形。位于德克薩斯州的休斯頓大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Jonny Wu說：“地球上的地質(zhì)信息每天都在消失，這就如同當(dāng)你正在試圖拼接一堆破碎的玻璃片時，而他們卻在一點點消失。”
三維地球板塊模型，黃色部分的洋殼正滑向地核深處
海底擴張示意圖，洋殼在向上地幔俯沖的同時，位于洋殼另一端的大洋中脊伴隨產(chǎn)生新的地殼。
然而現(xiàn)在，地球科學(xué)家們開始將他們的視野投向更深處的地幔，在那里，他們希望可以找到一些對古地理重建有用的信息。
他們利用地震波探測技術(shù)，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，震源處產(chǎn)生的地震波在地下傳播，遇到地層界面，準(zhǔn)確來說是波阻抗界面時，會產(chǎn)生相應(yīng)的反射和折射。其中反射波能量可以反射回地球表面，而折射波則將繼續(xù)向下傳播，在更深處遇到波阻抗界面時繼續(xù)產(chǎn)生反射和折射。
處于地表的地震波接收裝置對接收到的地震波進(jìn)行記錄，地球物理學(xué)家們將地震波進(jìn)行成像，從而得到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。這一過程類似于醫(yī)院的CT和B超成像技術(shù)，在醫(yī)院中，超高頻的X射線或者超聲波從激發(fā)端穿過患者體內(nèi)，被位于另一端或者同一端的接收裝置接收，從而對患者身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像。只不過對地球科技工作者而言，他們的工作對象不是病人，而是地球。
利用地震波進(jìn)行地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像(王偉濤博士提供)
在過去幾年，這一技術(shù)已經(jīng)為我們揭示了許多正在向地幔俯沖的板塊。他們在重力作用下，正緩緩滑向位于地核上方2900公里的地幔中。
地球內(nèi)部成像，恰似人體B超成像（王偉濤博士提供）
而現(xiàn)在，這些射向地球內(nèi)部的“X射線”正在“聚焦”，正如荷蘭烏特勒支大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Douwe van Hinsbergen所說的那樣，“我們對地層的探索將越來越深，越來越老”。
下個月，美國地球物理聯(lián)盟會議將在加州洛杉磯舉行。屆時，一個來自荷蘭的科學(xué)家團(tuán)隊將根據(jù)自己的地震波成像技術(shù)，宣布一個包括100多個俯沖板塊的名單目錄，其中涵蓋了他們的年齡，尺寸及其相應(yīng)的巖石物理模型，還有其他已經(jīng)發(fā)表的相關(guān)研究成果。
被地質(zhì)學(xué)家稱為“地獄圖譜”的俯沖板塊名單目錄，其中藍(lán)色點代表地幔位置，紅色點為其數(shù)億年前的所在地表位置
在地質(zhì)學(xué)家眼中，這張被科學(xué)家稱為“地獄圖譜”的照片仿佛擁有著數(shù)億年前地球古地理的靈魂，他們時間回轉(zhuǎn)到幾億年前，這些在編的板塊將重返地表，而科學(xué)家們也將以此推斷古海洋的大小和位置。此外，他們還可以弄清楚下沉的板塊會在什么位置發(fā)生融化并將熔融的巖漿釋放出來，而這些巖漿也正是火山和地殼活動的“潤滑劑”。奧斯陸大學(xué)的構(gòu)造建模師Mathew Domeier說：“這將是一個令人興奮的時刻，因為他將所有的地質(zhì)信息融合在了一起”。
大洋板塊向地下俯沖的過程中，巨大的摩擦能量帶來火山噴發(fā)和地震活動
回過頭來看，現(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的這一切也只會在近幾年才成為可能，因為其所用到的核心技術(shù)——地幔層析成像技術(shù)一直以來充滿著不確定性，它的成像質(zhì)量依賴于遍布世界各地的地震波記錄儀，這些記錄儀接收著來自地下散射的數(shù)百萬次地震波，其中，較快到達(dá)的被認(rèn)為是穿過傾斜地層得到的。
但是，由于地震檢波器分布的不均勻性，并且地震發(fā)生極具隨機性，當(dāng)震中距（地震震源到地震記錄儀的直線距離）較大時，這些地震波的成像結(jié)果就會變得模糊，馬里蘭大學(xué)帕克分校的斷層造影設(shè)計師Ved Lekic無奈地說：“經(jīng)常會出現(xiàn)的情況就是，在那些我們最感興趣的地區(qū)，也往往是最具有不確定性的地方?！?/p>
俯沖帶地區(qū)的地震波層析成像結(jié)果。藍(lán)色箭頭表示測量剖面的位置和方向。半扇形是層析成像結(jié)果，自上而下深度越來越大，最下的虛線表示核幔邊界。掃描圖上的色彩表示運動速度，藍(lán)色部分運動速度更快，褐色部分運動速度更低。
正因為這樣的不確定性，也往往導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果的多樣性。奧斯陸大學(xué)博士后Grace Shephard 說：“在世界各地的學(xué)術(shù)機構(gòu)中，有20多個的模型來解釋這些層析成像數(shù)據(jù)，他們的對地幔及其周圍結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果往往相互矛盾?！痹诮酉聛淼膸讉€月中，她將公布不同模型的斷層解釋的橫向比較結(jié)果，并以此評估哪些板塊最有可能是真實的，也許她的結(jié)果會與烏特勒支地圖集上的一些板塊有所出入，但是隨著計算機計算能力的不斷提高，這些橫向比較項目的結(jié)果也會更加可信。
到目前為止，令人可喜的是，對消失板塊的成像結(jié)果已經(jīng)越來越準(zhǔn)確，科學(xué)家們努力重建的幾億年前的世界也越來越清晰。雖然在早期的成像技術(shù)中，這些斷層成像極為模糊，但是隨著模型的改進(jìn)，上地幔中的板塊在成像結(jié)果上確如科學(xué)家們認(rèn)識的那樣，宛如一塊塊近乎直插地核深處的巨厚石板，作為休斯頓大學(xué)構(gòu)造學(xué)和層析成像技術(shù)帶頭人，John Suppe說：“這些圖像清楚地表明，當(dāng)這些板塊向下俯沖時，這些500多公里厚的板塊會發(fā)生彎曲，但并不會斷裂，而且我們發(fā)現(xiàn)這些板塊很容易展開，但是不會變形?！?/p>
板塊邊界活動示意圖
在對古板塊的重建的同時，也讓地球上數(shù)億年前的山脈得以重現(xiàn)，前幾個月發(fā)表的一項研究中表明，Wu和Suppe重建了地下28個板塊的運動軌跡，并最終將5000萬年前的菲律賓海重現(xiàn)出來，除此之外，他們認(rèn)為，這些板塊在向地幔俯沖的過程中，伴隨著很多次的火山運動，并且在與亞洲板塊碰撞的過程中，形成了現(xiàn)在的日本群島以及中國東海下的各種褶皺巖層。
同樣，來自英國牛津大學(xué)的地球物理學(xué)家卡林·西格洛赫（Karin Sigloch）通過對北美洲各大板塊的研究，確定了北美洲西部山脈，其中包括落基山脈，可能在2億到5000萬年前形成，他推測，當(dāng)時有好幾個小板塊在向美洲板塊俯沖的過程中，伴生的各種火山噴發(fā)形成了陸上的褶皺和隆起。
一直以來，Van Hinsbergen和他的烏特勒支同行們一直在努力，希望他們的古板塊圖集有助于重建一個更全面的古地球面貌，在2012年，他們使用板塊層析成像技術(shù)來對火山島弧的經(jīng)度進(jìn)行約束，這個火山島弧存在于2億年前的Pangea超大陸周圍的海洋中。
兩年后，他們使用他們的全球板塊模型來估計過去2.5億年至今的活躍俯沖帶的數(shù)量，以及其伴生的火山噴發(fā)產(chǎn)生的二氧化碳的量。這一估計與同一時期大氣CO2的地質(zhì)記錄非常匹配。
侏羅紀(jì)時期(距今2億年前-1.45億年前)的超大陸，侏羅紀(jì)時期的大氣層氧氣含量是現(xiàn)今的130%，二氧化碳含量是工業(yè)時代前的7倍，氣溫則是高于今日約攝氏3°，沒有冰川的遺跡。南北極地區(qū)沒有陸地與冰帽。
利用“地幔層析成像”這一新技術(shù)可以重建我們的古老星球，但是我們更應(yīng)該要知道，對于遠(yuǎn)在地球深處的地幔而言，它的記憶只有2.5億年，而這，也是人類能夠探索到地幔深處，并將其重新復(fù)原在地球表面的時間。誠然，在地質(zhì)年代面前，人類的時間是那么短暫，但是，在這短暫的時間里，我們能做的可是一點都不少。
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