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消失的地壳去哪儿了?古老海洋究竟发生了什么

2020-09-14 09:24:33 来源: 环球科学 作者:
摘要:科学家们分析了数百个沿着全球各地洋中脊采集的样本,这些样本包含不同数量的古代海洋地壳。这些地壳经历过完整的诞生与消亡过程,它们在“贫瘠”(Depleted)部分中的比重比“正常”(Normal)少,而在“富集”(Enriched)部分的比重较大。

  消失的地壳去哪儿了?古老海洋地壳究竟发生了什么?

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  图片来源:Phys.org

  科学家们分析了数百个沿着全球各地洋中脊采集的样本,这些样本包含不同数量的古代海洋地壳。这些地壳经历过完整的诞生与消亡过程,它们在“贫瘠”(Depleted)部分中的比重比“正常”(Normal)少,而在“富集”(Enriched)部分的比重较大。

  山川江河,飞鸟走兽,一切的繁荣都离不开这颗星球最上层的坚硬外壳——承载万物的地壳。

  然而,对于这层硬壳之下发生的事,我们仍然知之甚少。例如,回到地球内部消亡了的那部分地壳经历了什么?如今,佛罗里达州立大学国家高磁场实验室(MagLab)的地球化学团队带来一些十分重要的线索,或许能令我们一窥那些岩石被“藏进”地下的过程。

  这些新鲜出炉的证据表明:尽管绝大多数地壳都是相对“年轻”的,却也有一小部分非常古老的岩块——那些曾深入地幔,后来又上浮至浅层的“老前辈”们。基于这些经历过“地幔之旅”的地壳的量,他们还发现:地球自45亿年前形成以来就一直在不停地制造地壳——这与当前盛行的理论相矛盾。这项研究成果已发表于《科学·进展》(Science Advances)。

  “就像鲑鱼游回它们的产卵地一样,一些海洋中的地壳也会返回海底火山脊——它们诞生的地方。”佛罗里达州立大学地球、海洋和大气科学系(EOAS)的Munir Humayun教授说道,他是高磁场实验室的一位地球化学家,也是本研究的共同作者。“我们使用全新技术来展现这个不断循环过程,同时,那些返回的地壳沿着火山脊不均匀地分布。”

  和Humayun同一团队的还有该论文的第一作者——MagLab的博士后研究员Shuying Yang,以及MagLab地球化学团队主管兼EOAS主席Vincent Salters。

  海底火山脊沿线的构造板块之间有裂缝,其附近的地幔岩石融化产生玄武岩,也就是新生的海洋地壳。旧的海洋地壳受到新生部分的挤压,从火山脊向大陆缓缓移动,最终到达“俯冲带”,地壳被“塞进”另一板块之下,重新回到地球内部,整个过程就像一个超大型传送带。

  那些俯冲后的地壳被炽热高压的地幔所淹没,然后呢?这也是长久以来科学家们竞相推理的事。那些地壳可能沉入更深的地幔,或者随着地幔柱重回表面,或者在地幔里“打转”,如同大理石蛋糕里的巧克力。其中有些最终上升,重新融化在洋中脊中,形成新的岩石,开始下一趟历时百万年的海底之旅。

  本次研究的新证据进一步支持了“大理石蛋糕”理论。

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  一块大理石蛋糕。图片来源:cakewhiz

  科学家们已经掌握了支持该理论的线索:洋中脊有一部分所谓“富集玄武岩”,其中某些元素的占比很高,极有可能是从地幔渗出的熔融物(后来形成玄武岩)。而这些元素含量水平较低的玄武岩则被称为“贫瘠玄武岩”。

  为了进一步揭示消失地壳的奥秘,研究小组从30个洋脊区收集了500个玄武岩样本,并对样本进行化学分析,结果表明:其中有些是“富集”的,有些是“贫瘠”的,还有一些介于两者之间。

  早些时候该团队发现,相比地幔岩石中出现的新生玄武岩,锗和硅的相对比例在熔融的地壳中要低很多。于是,他们以该比例作为俯冲地壳的“化学指纹”,将其发展成一种辨别技术。

  他们设计了一种精确的方法,使用MagLab的质谱仪来测量该比例,并对这些数据进行处理,观察这些比例在30个采样地区之间的差异,希望从观察到的差异中揭示样本的起源。

  初步分析没有发现值得注意的东西。当时仍是博士生的Yang曾为此咨询她的导师。Humayun建议她把看待问题的角度放大:与其比较不同地区的玄武岩,不如比较“富集”和“贫瘠”两种玄武岩的差异。

  于是,Yang迅速地重新处理数据,激动地发现这些玄武岩组之间有明显的差异。

  “我当时心想‘我能毕业了!’,可把我高兴坏了。”Yang回忆到,因为她是该研究论文的第一作者。

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  图片来源:维基百科

  研究小组发现,所有取样区域的富集玄武岩样本中无一例外,硅锗比例较低,这是前文所提到的“周游地幔”的那部分地壳的化学指纹,表明它们像大理石蛋糕里的巧克力一样遍布整个地幔。可以说,研究小组解开了地壳消失的谜团。

  Humayun说,这次研究吃了“只见树木不见森林”的亏。

  他说:“有时候,把自己埋进数据堆里,便无法看到事物的全貌。当你从中抽身,退一步观察,会发现惊喜就在眼前。”

  顺藤摸瓜,科学家们还发现了更多秘密。基于全球洋中脊中富集玄武岩的量,该团队得以计算出有5~6%的地幔是由旧地壳形成的。或许,基于此,我们能获悉脚下这座“地壳工厂”的历史。已知地球以每年几英寸的速度缓缓生产地壳,但是,这一过程真的是一成不变的吗?

  Humayun说:“我们的分析表明,地壳形成的速度一直以来变化不大,这是所有人都没有想到的。”

  撰文:Caroline McNiel

  来源:佛罗里达州立大学


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