大洋板块俯冲到多深
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发布时间：2022-04-23 15:03
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时间：2022-04-27 21:16
在板块构造学说中，一个尚待解决的关键问题是驱动机制的问题，最流行的假说为地幔对流。地幔对流说的最主要依据之一是大洋板块向*岩石圈的俯冲。但是，大洋板块俯冲到什么深度？对流是局限在上地幔还是整个地幔？这些问题的解决只能靠地球物理资料，
从物理性质看岩石圈也是一个力学边界层，其下方软流圈是一个热边界层。从热力学理论可知，如果位于670km的上下地幔间断面是一个相变面，则相变可以增强地幔对流，这符合全地幔对流假说。但是如果它不是相变面而是物质成分变化的密度间断面，则密度跃变将阻挡地幔对流，把它局限在上地幔，或者使上下地幔分别有各自的对流。因此，地幔对流说可分为全地幔对流说、上地幔对流说及上下地幔分别对流说，它们都想从板块俯冲多深上找依据。在地球科学中证据常比假说重要，因为一条过的硬的证据有可能推翻十个假说。
许多俯冲带的岩石圈已经过详细地球物理调查，发现俯冲板块具有高阻、高波速和高地震品质因数的特征。图3.6是一条典型的横穿东太平洋俯冲带的地球物理剖面。太平洋板块从温哥华岛向北美*下方俯冲，俯冲的大洋岩石圈Vp=8.1～8.33km/s，ρ＝1000～10000Ω·m。在此板块顶部有一个Vp=6.35和ρ为几十欧姆米的亚层。俯冲板块下方的软流圈Vp=7.7km/s，ρ＝100～300Ω·m。这种结构模式反映了在100km深度的范围内，俯冲板块主体是相对冷而干的，但伴随俯冲作用和脱水，在其顶面（*岩石圈底部）发生熔融，角闪石、辉长岩及石英榴辉岩在高温高压下析出钙碱玄武岩浆系列。
图3.7展示了横穿汤加海沟的反演地震体波品质因数Q剖面。如图可见，高Q值的俯冲板块一直延伸到670km间断面附近，软流圈对应低Q值。在俯冲板块上方的楔形部位，Q值极低，反映伴随俯冲的上升岩浆活动，图3.7的结果实在太理想了，令人不禁怀疑地震反演时是否加了过强的地质约束。不过总的来说，俯冲板块对应地震体波能量的弱衰减，而它上方楔形带对应强衰减的规律应该是可信的。
在上述关于俯冲带地球物理研究的鼓舞下，多年来科学家们对俯冲带进行了大量的研究，想通过体波的地震层析成像圈定俯冲带的插入范围，尤其是看它们是否穿过670km附近的间断面而进入下地幔。西太平洋有当今世界年龄最老的俯冲带。根据Fukao等人（1992）最新P波层析成像结果，在这里发现反映俯冲板块的高速体插入到670km界面之后，沿此界面平伸加厚（图3.8（a）、（b）。Fukao和Maruyama（1994）等人认为，不仅这种俯冲下去并沿670km间断面的高速体是冷的大洋岩石圈及其积聚物，而且并不位于现代俯冲带下方的高速体（图3.8（c）、（d）也是古老俯冲带在670km间断面附近积聚的结果。一个厚达上百公里的板块下插到670km界面附近，必然伴随有深源地震。在图3.7中所示的斐济—汤加俯冲带，的确多有震源深度超过500km的地震发生，震源最深达700km。就全球而言，深源地震多发生在大洋板块俯冲带向*的一侧，最深达720km。深源地震的数据支持了上述高速体反映板块俯冲及其沿670km界面积聚的假说。粗略假定大洋扩张的速率为5cm/a.而俯冲角为45C左右，则在18～19Ma期间板块可俯冲到670km界面附近。东太平洋海沟的俯冲至少已持续了170Ma，因此即使由于局部熔融部分物质呈岩浆上升使*增生，仍有大量大洋岩石圈分异的残余积聚在邻近*的上地幔底部。这些物质应该是钙碱亏损的地幔岩石。假定原岩为石榴子石二辉橄榄岩（上地幔的常见岩石），在局部熔融时析出玄武岩浆后留下难熔矿物可能具有较高的波速。同时，持续的俯冲也造成上地幔底部围压的增高，间接地提高波速。因此，我认为此处软流圈下方的高速体不一定全部由“冷”的俯冲板块引起，而与岩石组成也有关系。实际上波速扰动200m/s如果全由温度变化产生，可反映400C的温度差异，经过几千万年的俯冲和积聚之后，设想冷板块在670km深处仍保持“冷”的状态似乎不大合适。
图3.6 东西向穿过温哥华岛的波速Vp（a）及地电（b）剖面
显示俯冲板块主体具有高波速和高电阻率的特征，但其顶部有低电阻率的亚层
图3.7 过汤加海沟的地震Q值剖面示意图
图3.8 地震体波层析成像的四种典型剖面示意图
标明高速体与现代俯冲带和670km间断面的关系
地球科学的发展历史经常与一些令人惊异的新假说分不开，最近，一些地球科学家提出板块穿过中幔圈，一直俯冲到核幔边界，其依据是地震层析图上某些陡立地幔的高速体的存在。Grand等人（1997）发表的横穿过北美纬度30°线的长剖面（图3.9），被作为这种“冷”的板块下插的典型证据，因为Yp和Vs成像的结果比较一致。他们认为，北美*下方的这个穿入下地幔的高速体，是1亿年前的Farallon“冷”板块。换句话说，板块俯冲可穿过中幔圈进入地核，与上升的热羽柱形成过地幔的全球垂向物质对流。对于这种极富想像力的新假说，现在还不能过多评价，但就它的论据本身，是值得怀疑的。从第一讲的讨论知，在地幔中，决定波速第一位的参数是成分及压力，其次才是温度，把波速升高与物质变“冷”一一对应起来是没有岩石物理学根据的，再者由层析图显示下地幔波速扰动在士20%的范围内，我们没有理由假设原始地幔形成时是绝对均匀的，其物质成分连1%～2%的横向变化都不存在，而这种变化即可反映为波速升高2%。自然界分形的现象是普遍存在的，从小的尺度的测量也许可以推广到大尺度上。在大的结晶岩基上物理调查的结果都证明，位于岩基不同部位采集的岩样的物理参数显现正态分布，其标准差在5%～10%之间。因此，可以推测，中幔圈的岩石波速2%的扰动很可能是正常的，反映出原始地幔形成时物质成分的不均匀性。因此，不应把这种大尺度的高速体与“冷板块”或“冷柱”等同起来，因为高速不一定就“冷”，而且经过1亿年的下插板块到达核幔边界后也不一定仍然是“冷”的。另外，也存在许多否定的论据。例如，板块既然插入下地幔，怎么没有观测到震源深于720km的地震？中幔圈岩石的刚性比岩石圈板块强得多，岩石圈板块怎么能把两千公里厚的中幔圈穿透？岩石圈板块如果真的穿过巨厚中幔圈，必定经过各种化学分异作用而萎缩，会呈现上粗下细的几何形状，为什么波速扰动层析图上呈现的不是这种形状？我们认为，在这些问题没有得到有根据的回答之前，对“冷板块俯冲到幔核边界”的说法还是不要急于赞同为好。此外，根据物理计算揭示，板块驱动力以板块拖曳力为主，它是随深度指数减小的。
板块拖曳力下沉力（slab-pull force）随深度Z的变化可根据以下公式估计。对上地幔，假定板块冷，因而密度比地幔大，产生的负浮力为（Richter and Mckenzie,1978）：
后板块地球内部物理学导论
其中：g=9.8m/s2为万有引力常数；α为热膨胀系数；ρm为板块底部的密度；T1为地幔温度；L为板块厚度，约为85km;d+L为上地幔厚度（670km）,Re为热Reynolds数，正比于Pm、板块的比热及沉降速率。
由此公式计算出，板块拖曳力最大约为（1～2）×1013N/m，其中还包括300～400km深处的橄榄岩—尖晶石结构相变的附加驱动力，它比上涌软流圈在洋脊的推力（计算为2×1012N/m）大一个级次，看起来像是板块俯冲的主要驱动力。另外板块的拖曳力随深度Z指数减小，当接近下地幔时Z=d，有Fsp=0，不再下沉。但是，由于620～670km处为相变过渡带，这时，俯冲板块沿薄弱的边界层继续前冲和积聚是可能发生的。因此Fukao等人层析图中反映的高速体可能与板块俯冲有关。但是，如果说冷板块继续向下俯冲并穿过下地幔，则难以用板块拖曳力来解释。
图3.9 沿纬度30.1°横穿北美的体波层析剖面
显示地幔波速相对于全球平均波速的变化。剖面位置示于下方，＋号为波速加大，－号为波速减少。此剖面P波和S波速度扰动比较吻合，提供了较可信的层析图
