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同济教授挑战“地幔羽”假说

提出地球板块边界隆起新解释,论文发表于《自然》杂志

2013年2月21日   02:02-要闻   稿件来源:解放日报   作者:彭德倩

  本报讯 (记者 彭德倩)3年前的冬天,同济大学海洋与地球科学学院教授周怀阳立于“大洋一号”科学考察船甲板上,双眼紧盯着眼前的西南印度洋海面——那下面的几千米深处,拖网已采到沉沉的海底岩石,正以每秒半米的速度上升,忽而浪花翻涌,第一网出水,冲上前看,几百公斤橄榄岩,属地幔中特有!那意味着,在地球板块分离边界的这片海底,地幔不再如以往所知那样,被厚厚岩浆岩所覆盖,而是如同鸡蛋在此被剥了一片壳,显出一小块“蛋白”。

    今天,始于这方“蛋白”,中美科学家合作研究,对地球科学最大争论——“地幔羽”假说发起挑战。相关论文近日发表于《自然》杂志,同期刊登的英国剑桥大学麦克勒伦教授这样评价:“他们的工作对我们深入理解地幔,将具有重要的意义。”

    地核、软流圈、地幔、地壳(洋壳)……我们对地球由内而外的圈层结构并不陌生。上世纪50—60年代确立了“板块构造学”理论更是从根本上改变了对地球内部运动的认识。然而,板块内部及板块分离边界(洋中脊)上众多的隆起或海底山脉因何而来,却成为地球科学家们始终纠结的谜。40年多前,“地幔羽”假说提出,地幔内部温度的局部异常,如同一支支蜡烛,烧得岩浆沸腾涌出地表,冷凝后的岩浆岩形成厚厚的地壳,在海中成山。在大西洋洋中脊上的冰岛隆起和在太平洋板块内部的夏威夷海山链,似乎都遵循着这一假说。然而,西南印度洋中的发现,成了反例。

    从那带来几百斤橄榄岩的第一网开始,同济科学家带领的中国团队在西南印度洋洋中脊的马里安隆起(Marion Rise)上,通过采样研究,找到一片3200平方公里的“裸露之地”,大小差不多是半个上海,那里几乎完全失去洋壳,地幔直接出露于地表。令人惊讶的是,美国伍兹霍尔海洋研究所亨利·迪克团队经多年勘探,也发现绵延7700公里的西南印度洋洋中脊,约有1/4地区地幔岩石露出地表。两个勘探结果珠联璧合,共同指向一个结论——这显然是“地幔羽”假说无法解释的。地球科学权威专家唐·安德森看完发表的论文后,甚至以“‘地幔羽’假说的最后一颗‘棺材钉’”来形容这一发现。

    不是因为地幔内部的“蜡烛”,又是因为什么呢?中美研究人员细致甄别发现,马里安隆起表面裸露的地幔岩,是镁含量较高的方辉橄榄岩,密度较低。再结合其他种种证据,一个大胆推论形成:1.8亿年前或更早,南极板块和非洲板块分离时发生了大规模火山作用,1400摄氏度的高温将地幔上层岩石中的铁等较重的易熔元素熔融带出地表,留下镁等不易熔融的元素,这部分亏损地幔密度低、分量轻,在力场均衡作用下“起壳”而抬升,最终产生隆起。在周怀阳和亨利·迪克看来,这一“成分成因”理论的提出,意味着“热成因”理论不再是地球板块边界隆起的唯一解答,甚至可能不再是最主要的原因。

    有趣的是,目前,全球学界许多对地幔异常的研究,是基于“地幔羽”假说,当对这一假说的有力挑战出现,科学家们又将面临更多问号。

    “接下来还要一段段取样,”周教授说。西南印度洋洋中脊大部分地区正处西风带,风高浪急,每年可作业时间仅限12月到来年3月,在那里行船取样,一天花费就是几十万元,但无论如何,研究将继续。他说:“了解真正的地球内部结构,是人类的梦想。”



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