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          印度洋中的“重力洞”是怎么形成的?

          2023年07月11日 10:03:05 來源:科技日報 作者: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?事實上,更精確的計算表明,不同地點的地球重力存在微小但可測量的差異,而這也導致了海平面的高低起伏。

            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家。

            這個覆蓋超過300萬平方公里的重力異常區域實際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域。

            研究這個“洞”的科學家們長期以來一直認為,是海面下的某些物質導致了這種奇怪的現象。

            但一項發表在《地球物理研究快報》上的新研究論文表明,研究人員應該“風物長宜放眼量”,將研究重點放在“洞”周圍的板塊運動上,而非其下方。研究發現,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量分布有關

            為什么地球表面存在重力大小不一致的現象?

            這項新研究的資深作者、印度科學研究所地球物理學家阿特雷伊·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!备晔步忉尩。

            但是,由于重力與質量成正比,因此地球引力場的變化又與其內部質量的分布有關。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生隆起和凹陷,二者分別對應著較大和較小的質量區域。這使地球表面看起來就像面團一樣疙疙瘩瘩。由此形成的略有起伏的不規則曲面被稱作大地水準面。

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

            用計算機模型追蹤“重力洞”起源

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

            這項研究的主要作者、印度科學研究所博士生德班詹·帕爾稱,IOGL是1948年荷蘭地球物理學家費寧·梅內斯在船上進行重力測量時發現的。自那以后,其他船上的探險隊和衛星的測量都證實了IOGL的存在。但科學家們不知道它為什么會在那里。

            在這項研究中,戈什和帕爾利用地面傳感器和衛星進行了局部重力測量,比較了19種計算機模擬場景,通過重建過去1.4億年的板塊構造運動來追蹤“重力洞”的起源。

            研究發現,IOGL是印度洋下方地幔質量缺乏的結果。具體而言,“低密度異!奔碔OGL下的上地幔到中地幔中存在較輕的元素,是造成該地區低重力的原因。

            那么,該地區為何有如此獨特的地質構造?

            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”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,形成了現在的印度洋和大西洋。古特提斯洋的俯沖板塊沉入地球內部,形成了一些溫度異常區域,影響了地幔對流和地殼運動。其中一個異常區域就位于非洲下方,這就是“非洲斑點”。

            帕爾表示,當屬于古特提斯洋的俯沖板塊下沉到地幔內部并到達核—幔邊界時,造成了地幔中熔巖的強大向下運動。為了平衡這種向下運動,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烈和明顯。

            這些研究還表明,除了這些羽流外,周圍的地幔結構也導致了“低密度異!钡男纬。

            “重力洞”成因仍眾說紛紜

            美國海洋網報道稱,當地球核心的引力削弱地幔,使其更具浮力,更容易移動時,就會出現核心拉動削弱效應。這種效應被認為是構造板塊運動和海洋地殼形成的原因。

            因此,“重力洞”的發現表明,在地幔中部深度可能存在著地核拉動削弱效應,也就是說,這一地區的地?赡鼙纫郧叭藗冋J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造和海洋地殼的形成。

            盡管“重力洞”覆蓋范圍廣闊,且該區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。

            “如果你乘船進到這個區域,你會發現海面逐漸向下傾斜,但在經過之后,你的船又再次隨著海面上升,回歸到了一般水平的高度!备晔舱f。

            幾十年來,印度洋的“重力洞”令無數科學家著迷。雖然對其確切成因尚未達成共識,但科學家們已經提出了幾種理論來解釋這種現象。

            美國海洋網報道稱,一種理論認為,“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域,導致地殼凹陷。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”。

            另一種理論認為,“重力洞”的形成是因為地球開了“熱點(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域,導致地殼凹陷。

            還有一些科學家認為,“重力洞”是這兩個過程結合的產物。他們認為,一個“熱點”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算機模型調查出了“重力洞”的一種成因,但戈什強調,可能還有其他支持證據來解釋IOGL的成因,因此還需要做進一步的研究。至于“重力洞”的未來變化,也要看地球內部會發生什么,目前還暫時無法預測。無論如何,“重力洞”提醒著人們,我們還遠遠沒有理解我們生活的這個星球存在的所有奧秘。

          [編輯: 陳嘉宜]
          (本文來源:科技日報)
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