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          致使海平面下降百余米 面積超300萬平方公里 印度洋中的“重力洞”是怎么形成的?

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          日期:2023-07-11 07:52:15    來源:科技日報    

          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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