地球深部有面“放大镜”？科学家发现它在中国大盆地形成中的贡献

在我国广袤的土地与海域之下，隐藏着诸多令人费解的地质谜题。松辽盆地、渤海湾盆地、南海等研究区，都是油气资源丰富的重要区域。它们的共同特征是盆地中的沉积层异常厚，这种沉积堆积与油气储藏密切相关，因此中国的科学家一直想通过对此类沉积盆地进行更深入的研究，从而帮我们解读油气资源富集的原因。

所谓盆地，指的是在地势上比较低洼的区域，河流、湖泊以及海洋会源源不断带来沉积物堆积在此，因而形成厚厚的沉积地层。形成盆地的应力条件包括拉张、挤压和走滑，而对于拉张盆地中的裂谷盆地而言，地球物理学家McKenzie曾提出著名的“纯剪切拉伸模型”来解释裂谷盆地沉降过程。

这一理论将裂谷盆地沉降分为两个阶段：1）构造沉降阶段。即在拉伸作用下，地壳变薄并随之下降，形成一个初始的盆地。这一阶段因为地壳被拉薄，岩石圈底部也更容易被地球内部的热量加热。2）热沉降阶段。该阶段岩石圈开始慢慢冷却，冷却后的岩石圈地幔物质密度会增大，这种密度的增加导致岩石圈整体缓慢下沉。这是一个非常缓慢且长期的过程，通常会持续数千万年甚至上亿年，是裂谷盆地总沉降量的重要组成部分。若没有后续伸展、挤压等岩石圈改造作用的叠加，盆地基底的深度会无限趋近于某一固定值（图1a）。

破题：经典理论为何失灵？

然而，在诸如松辽盆地、渤海湾盆地等研究区，基底似乎在岩石圈应力趋于中性后又突然经历了至少一期的加速沉降，致使当今基底深度（沉积物厚度）远大于基于拉伸量的理论预测值（图1b-1c）。前人研究表明，在岩石圈层位的动力学演化过程（如：周缘俯冲、区域伸展、岩浆底侵、地壳流等）很难解释此类出现在较薄陆缘岩石圈之上狭长区域内的“异常”沉降现象。

经典理论解释不了，呼唤新理论的登场。

图1裂谷盆地沉降过程的理论模型与“非典型”案例。（a）不同伸展量（β）下的理论沉降过程（McKenzie, 1978, EPSL）。（b）松辽盆地白垩纪沉降过程的重建模型。（c）渤海湾盆地新生代沉降过程的重建模型。

（图片来源：中国科学院广州地球化学研究所）

揭密：深部“导演”的双人舞

为了搞清楚到底是什么导致了这种异常沉降，中国科学院广州地球化学研究所徐义刚院士团队将目光投向地球更深的地方。

经团队研究发现，在出现过异常沉降区域正下方的深部地幔，都（曾）存在有疑似的下地幔上涌（地幔柱）与地震波高速体共存的现象（此类高波速结构可能代表了俯冲板块或拆沉岩石圈块体，在此统称为“残余块体”）（图2）。

图2典型研究区的地幔波速结构。（a）图d的切面位置图。（b）图f的切面位置图。（c）图g的切面位置图。（d）东北亚地幔波速结构切面。（e）东北亚750公里深处的平均波速结构。（f）黄石-斯内克河平原下方的地幔波速结构切面。（g）中国南海下方的地幔波速结构切面。

（图片来源：中国科学院广州地球化学研究所）

图3. 前人研究揭示地幔柱的地形响应以抬升为主。取决于岩石圈的先存应力状态，地幔柱可以导致地表出现长波长（a）或短波长（b）的抬升。

（图片来源：中国科学院广州地球化学研究所）

团队成员联合国内外学者基于正演数值模拟与多学科观测的约束，开展了系列的探索性研究工作。在团队成员测试的许多模型参数条件下，与前人研究一致，地幔（柱）上涌过程通常会导致地表出现较为广泛的抬升（图3）。然而，当660公里深处相变密度跳变 ≥7% 且相变克拉贝龙斜率>-2.8 MPa/K时，在上涌物质到达岩石圈底部之前，地表容易出现几十米至八百米深不等（主要取决于岩石圈的厚度，越薄响应越显著）、1000-2000公里宽的沉降区（图4b）。

之所以出现这样的现象，是因为该条件下的深部地幔上涌过程容易在岩石圈底部诱发快速的离散对流场，对流拖拽作用会导致上覆岩石圈拉伸、减薄与沉降（图4b）。但是，该沉降区却难以长久维持，当上涌物质到达岩石圈底部后，地形会出现反转、甚至恢复到沉降前的状态（图4c）。

图4. 代表性数值模型结果。（a）-（c）仅地幔上涌的模型。（e）-（f）地幔上涌与沉降残余块体共存的模型。团队测试过的其他动力学演化过程见文章正文。

（图片来源：中国科学院广州地球化学研究所）

以上短暂存在的广泛沉降区的沉降幅度，会因为地幔上涌途中接近正在下沉的残余块体而加强至公里级，但沉降中心的宽度却会显著缩小至200公里左右（图4d-4f）。这是因为，残余块体在地幔中的下沉过程，无论快与慢，都可以通过引发地幔对流而降低地幔岩类的位错蠕变粘滞系数，并使得上地幔中更容易形成较大的对流速率（当然，深部地幔上涌的存在也会有助于残余块体沉降速率的提升，二者是相互影响的，不同动力学背景下产生的效应可能叠加或抵消，此处表现为浅表地形响应的叠加）。

因此，在同样的浮力条件下，地幔上涌的速率得以提升，其所触发的岩石圈底部的离散对流场也得到加强。离散对流场在岩石圈底部的拖拽作用与残余块体沉降所触发的动力地形会共同导致地表出现公里级的沉降（图4e）。

此外，在该类模型中，地幔上涌的路径会在上地幔发生大幅偏折，进而导致沉降中心偏离下地幔上涌的正上方；当上涌物质到达岩石圈底部后，只会触发沉降区一侧的地形发生反转，未受到上涌托举影响的另一侧岩石圈，因之前经历过离散对流场的拖拽改造，其公里级的低洼地形最终得以保留（图4f）。

效果：“透镜”如何塑造大地

总结来说，这项研究提出，下沉残余块体会像“放大镜”一样，把深部地幔上涌（柱）对地形的影响放大并聚焦到相对有限的区域，导致狭长带内出现可维持的地表沉降，研究团队将该现象称为残余块体对地幔上涌的透镜式聚焦效应（图5）。

通过与多学科观测结果的比对，团队数值模型所揭示的深部动力学机制，可能为解释在陆缘狭长地带内发育的、早于活跃岩浆活动（如地幔柱）且在岩浆活动结束后仍可维持的异常沉降现象提供新思路。

图5. 残余块体对深部地幔（柱）上涌的透镜式聚焦效应示意图

（图片来源：中国科学院广州地球化学研究所）

该研究还表明，在缺乏决定性地质学或地球物理学证据的研究区，下地幔低波速结构、上地幔高波速结构与浅表狭长地带内异常沉降现象的共存，可能为指示深部地幔存在有快速的物质上涌或正在形成的地幔柱提供判别依据。同时，这一研究强调了地球内部在表生系统中的作用，符合“深部过程塑造地表”的新理念，为我们理解地球提供了新的思路。

出品：科普中国

作者：刘亮（中国科学院广州地球化学研究所 副研究员）

监制：中国科普博览