科技日報記者 張佳欣

我們生活在一個密度大致均勻的球體上，但你是否以為地球表面的重力在各處都一樣？事實(shí)上，更精確的計(jì)算表明，不同地點(diǎn)的地球重力存在微小但可測量的差異，而這也導(dǎo)致了海平面的高低起伏。

(相關(guān)資料圖)

在印度洋中部，有一個巨大的“重力洞”，這里的海平面比全球平均水平低了100余米，幾十年來，它的形成之謎一直困擾著科學(xué)家。

這個覆蓋超過300萬平方公里的重力異常區(qū)域?qū)嶋H上并不是一個物理意義上的洞，而是指地球重力低于平均水平的海洋區(qū)域。

研究這個“洞”的科學(xué)家們長期以來一直認(rèn)為，是海面下的某些物質(zhì)導(dǎo)致了這種奇怪的現(xiàn)象。

但一項(xiàng)發(fā)表在《地球物理研究快報》上的新研究論文表明，研究人員應(yīng)該“風(fēng)物長宜放眼量”，將研究重點(diǎn)放在“洞”周圍的板塊運(yùn)動上，而非其下方。研究發(fā)現(xiàn)，從古代海床的殘余物中升起的熔巖羽流可能是形成“重力洞”的主要原因。

引力場變化與地球質(zhì)量分布有關(guān)

為什么地球表面存在重力大小不一致的現(xiàn)象？

這項(xiàng)新研究的資深作者、印度科學(xué)研究所地球物理學(xué)家阿特雷伊·戈什在接受科技日報記者采訪時表示，想了解地球各處重力的差異，首先要從地球的形狀談起。

“地球看起來是圓的，但實(shí)則偏向橢圓，就像一個馬鈴薯，赤道周圍凸起，兩極平坦。其表面重力的總體特征是，一般地球的重力常數(shù)是9.8米/平方秒，而赤道處最小，約為9.78米/平方秒；兩極最大，約為9.83米/平方秒。”戈什解釋道。

但是，由于重力與質(zhì)量成正比，因此地球引力場的變化又與其內(nèi)部質(zhì)量的分布有關(guān)。想象一下，地球表面被平靜的海洋覆蓋，地球引力場的變化將使這個理想化的海洋上產(chǎn)生隆起和凹陷，二者分別對應(yīng)著較大和較小的質(zhì)量區(qū)域。這使地球表面看起來就像面團(tuán)一樣疙疙瘩瘩。由此形成的略有起伏的不規(guī)則曲面被稱作大地水準(zhǔn)面。

此外，戈什還告訴記者，地殼、地幔和地核質(zhì)量與密度的不均是導(dǎo)致重力存在差異的次要原因。

用計(jì)算機(jī)模型追蹤“重力洞”起源

戈什介紹道，印度洋下大地水準(zhǔn)面的明顯傾斜，被稱為“印度洋大地水準(zhǔn)面低點(diǎn)（IOGL）”。重力異常是指某個特定區(qū)域的重力低于地球平均重力。它就像引力場中的一個“洞”，影響著該地區(qū)的海平面。IOGL就是地球上最顯著的重力異常區(qū)域之一，覆蓋了印度洋的廣闊區(qū)域。

這項(xiàng)研究的主要作者、印度科學(xué)研究所博士生德班詹·帕爾稱，IOGL是1948年荷蘭地球物理學(xué)家費(fèi)寧·梅內(nèi)斯在船上進(jìn)行重力測量時發(fā)現(xiàn)的。自那以后，其他船上的探險隊(duì)和衛(wèi)星的測量都證實(shí)了IOGL的存在。但科學(xué)家們不知道它為什么會在那里。

在這項(xiàng)研究中，戈什和帕爾利用地面?zhèn)鞲衅骱托l(wèi)星進(jìn)行了局部重力測量，比較了19種計(jì)算機(jī)模擬場景，通過重建過去1.4億年的板塊構(gòu)造運(yùn)動來追蹤“重力洞”的起源。

研究發(fā)現(xiàn)，IOGL是印度洋下方地幔質(zhì)量缺乏的結(jié)果。具體而言，“低密度異常”即IOGL下的上地幔到中地幔中存在較輕的元素，是造成該地區(qū)低重力的原因。

那么，該地區(qū)為何有如此獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造？

戈什告訴記者，非洲下方地幔深處存在一個通常被稱為“非洲斑點(diǎn)”的大型低剪切波速省（LLSVP），它很可能是由地幔深處的“特提斯板塊”運(yùn)動形成的。

2億多年前，古特提斯洋位于勞亞大陸和岡瓦納超級大陸之間，但在大約1.2億年前，隨著岡瓦納大陸和勞亞大陸的距離越來越近，古特提斯洋開始閉合，最終消失了，形成了現(xiàn)在的印度洋和大西洋。古特提斯洋的俯沖板塊沉入地球內(nèi)部，形成了一些溫度異常區(qū)域，影響了地幔對流和地殼運(yùn)動。其中一個異常區(qū)域就位于非洲下方，這就是“非洲斑點(diǎn)”。

帕爾表示，當(dāng)屬于古特提斯洋的俯沖板塊下沉到地幔內(nèi)部并到達(dá)核—幔邊界時，造成了地幔中熔巖的強(qiáng)大向下運(yùn)動。為了平衡這種向下運(yùn)動，熱而輕的地幔流開始從印度洋下面上升，形成所謂的“熔巖羽流”。這些羽流可能是IOGL形成的原因。這種熔巖羽流的上涌始于大約2000萬年前。當(dāng)羽流在巖石圈下面移動并接近印度半島時，重力異常變得更加強(qiáng)烈和明顯。

這些研究還表明，除了這些羽流外，周圍的地幔結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了“低密度異常”的形成。

“重力洞”成因仍眾說紛紜

美國海洋網(wǎng)報道稱，當(dāng)?shù)厍蚝诵牡囊ο魅醯蒯＃蛊涓吒×Γ菀滓苿訒r，就會出現(xiàn)核心拉動削弱效應(yīng)。這種效應(yīng)被認(rèn)為是構(gòu)造板塊運(yùn)動和海洋地殼形成的原因。

因此，“重力洞”的發(fā)現(xiàn)表明，在地幔中部深度可能存在著地核拉動削弱效應(yīng)，也就是說，這一地區(qū)的地幔可能比以前人們認(rèn)為的更具有浮力且更容易移動。這可能有助于我們理解板塊構(gòu)造和海洋地殼的形成。

盡管“重力洞”覆蓋范圍廣闊，且該區(qū)域海平面低于平均水平，但戈什表示，“重力洞”的存在并不會造成什么影響。

“如果你乘船進(jìn)到這個區(qū)域，你會發(fā)現(xiàn)海面逐漸向下傾斜，但在經(jīng)過之后，你的船又再次隨著海面上升，回歸到了一般水平的高度。”戈什說。

幾十年來，印度洋的“重力洞”令無數(shù)科學(xué)家著迷。雖然對其確切成因尚未達(dá)成共識，但科學(xué)家們已經(jīng)提出了幾種理論來解釋這種現(xiàn)象。

美國海洋網(wǎng)報道稱，一種理論認(rèn)為，“重力洞”是“板塊墓地”的殘余物。大約3000萬年前，古老海洋寒冷而致密的殘余物沉入非洲地下的“板塊墓地”，并隨著時間的推移不斷堆積，形成了一個低密度巖漿區(qū)域，導(dǎo)致地殼凹陷。隨著時間的推移，凹陷變得更深、更明顯，最終形成了我們今天看到的“重力洞”。

另一種理論認(rèn)為，“重力洞”的形成是因?yàn)榈厍蜷_了“熱點(diǎn)（hotspot）”，其中一股熾熱的熔巖從地幔中升起，并將地殼熔穿。隨著巖漿冷卻和凝固，它會形成一個低密度巖石區(qū)域，導(dǎo)致地殼凹陷。

還有一些科學(xué)家認(rèn)為，“重力洞”是這兩個過程結(jié)合的產(chǎn)物。他們認(rèn)為，一個“熱點(diǎn)”首先形成了地殼凹陷，然后又充滿了冰冷、致密的洋殼殘余物。

盡管此次戈什與帕爾基于計(jì)算機(jī)模型調(diào)查出了“重力洞”的一種成因，但戈什強(qiáng)調(diào)，可能還有其他支持證據(jù)來解釋IOGL的成因，因此還需要做進(jìn)一步的研究。至于“重力洞”的未來變化，也要看地球內(nèi)部會發(fā)生什么，目前還暫時無法預(yù)測。無論如何，“重力洞”提醒著人們，我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有理解我們生活的這個星球存在的所有奧秘。

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