在我國廣袤的土地與海域之下，隱藏著諸多令人費解的地質(zhì)謎題。松遼盆地、渤海灣盆地、南海等研究區(qū)，都是油氣資源豐富的重要區(qū)域。它們的共同特征是盆地中的沉積層異常厚，這種沉積堆積與油氣儲藏密切相關(guān)，因此中國的科學(xué)家一直想通過對此類沉積盆地進行更深入的研究，從而幫我們解讀油氣資源富集的原因。

所謂盆地，指的是在地勢上比較低洼的區(qū)域，河流、湖泊以及海洋會源源不斷帶來沉積物堆積在此，因而形成厚厚的沉積地層。形成盆地的應(yīng)力條件包括拉張、擠壓和走滑，而對于拉張盆地中的裂谷盆地而言，地球物理學(xué)家McKenzie曾提出著名的“純剪切拉伸模型”來解釋裂谷盆地沉降過程。

這一理論將裂谷盆地沉降分為兩個階段：

①構(gòu)造沉降階段。即在拉伸作用下，地殼變薄并隨之下降，形成一個初始的盆地。這一階段因為地殼被拉薄，巖石圈底部也更容易被地球內(nèi)部的熱量加熱。

②熱沉降階段。該階段巖石圈開始慢慢冷卻，冷卻后的巖石圈地幔物質(zhì)密度會增大，這種密度的增加導(dǎo)致巖石圈整體緩慢下沉。這是一個非常緩慢且長期的過程，通常會持續(xù)數(shù)千萬年甚至上億年，是裂谷盆地總沉降量的重要組成部分。若沒有后續(xù)伸展、擠壓等巖石圈改造作用的疊加，盆地基底的深度會無限趨近于某一固定值（圖 1a）。

圖1.裂谷盆地沉降過程的理論模型與“非典型”案例。（a）不同伸展量（β）下的理論沉降過程（McKenzie, 1978, EPSL）。（b）松遼盆地白堊紀(jì)沉降過程的重建模型。（c）渤海灣盆地新生代沉降過程的重建模型。

（圖片來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

破題：經(jīng)典理論為何失靈？

然而，在諸如松遼盆地、渤海灣盆地等研究區(qū)，基底似乎在巖石圈應(yīng)力趨于中性后又突然經(jīng)歷了至少一期的加速沉降，致使當(dāng)今基底深度（沉積物厚度）遠大于基于拉伸量的理論預(yù)測值（圖 1b-1c）。前人研究表明，在巖石圈層位的動力學(xué)演化過程（如：周緣俯沖、區(qū)域伸展、巖漿底侵、地殼流等）很難解釋此類出現(xiàn)在較薄陸緣巖石圈之上狹長區(qū)域內(nèi)的“異常”沉降現(xiàn)象。

經(jīng)典理論解釋不了，呼喚新理論的登場。

揭密：深部“導(dǎo)演”的雙人舞

為了搞清楚到底是什么導(dǎo)致了這種異常沉降，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所徐義剛院士團隊將目光投向地球更深的地方。

經(jīng)團隊研究發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)過異常沉降區(qū)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）與地震波高速體共存的現(xiàn)象（此類高波速結(jié)構(gòu)可能代表了俯沖板塊或拆沉巖石圈塊體，在此統(tǒng)稱為“殘余塊體”）（圖2）。

圖2.典型研究區(qū)的地幔波速結(jié)構(gòu)。（a）圖d的切面位置圖。（b）圖f的切面位置圖。（c）圖g的切面位置圖。（d）東北亞地幔波速結(jié)構(gòu)切面。（e）東北亞750公里深處的平均波速結(jié)構(gòu)。（f）黃石-斯內(nèi)克河平原下方的地幔波速結(jié)構(gòu)切面。（g）中國南海下方的地幔波速結(jié)構(gòu)切面。（圖片來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

圖3. 前人研究揭示地幔柱的地形響應(yīng)以抬升為主。取決于巖石圈的先存應(yīng)力狀態(tài)，地幔柱可以導(dǎo)致地表出現(xiàn)長波長（a）或短波長（b）的抬升。（圖片來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

團隊成員聯(lián)合國內(nèi)外學(xué)者基于正演數(shù)值模擬與多學(xué)科觀測的約束，開展了系列的探索性研究工作。在團隊成員測試的許多模型參數(shù)條件下，與前人研究一致，地幔（柱）上涌過程通常會導(dǎo)致地表出現(xiàn)較為廣泛的抬升（圖 3）。然而，當(dāng) 660 公里深處相變密度跳變 ≥7% 且相變克拉貝龍斜率>-2.8 MPa/K 時，在上涌物質(zhì)到達巖石圈底部之前，地表容易出現(xiàn)幾十米至八百米深不等（主要取決于巖石圈的厚度，越薄響應(yīng)越顯著）、1000-2000 公里寬的沉降區(qū)（圖 4b）。

之所以出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因為該條件下的深部地幔上涌過程容易在巖石圈底部誘發(fā)快速的離散對流場，對流拖拽作用會導(dǎo)致上覆巖石圈拉伸、減薄與沉降（圖 4b）。但是，該沉降區(qū)卻難以長久維持，當(dāng)上涌物質(zhì)到達巖石圈底部后，地形會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)、甚至恢復(fù)到沉降前的狀態(tài)（圖 4c）。

圖4.代表性數(shù)值模型結(jié)果。（a）-（c）僅地幔上涌的模型。（e）-（f）地幔上涌與沉降殘余塊體共存的模型。團隊測試過的其他動力學(xué)演化過程見文章正文。（圖片來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

以上短暫存在的廣泛沉降區(qū)的沉降幅度，會因為地幔上涌途中接近正在下沉的殘余塊體而加強至公里級，但沉降中心的寬度卻會顯著縮小至 200 公里左右（圖 4d-4f）。這是因為，殘余塊體在地幔中的下沉過程，無論快與慢，都可以通過引發(fā)地幔對流而降低地幔巖類的位錯蠕變粘滯系數(shù)，并使得上地幔中更容易形成較大的對流速率（當(dāng)然，深部地幔上涌的存在也會有助于殘余塊體沉降速率的提升，二者是相互影響的，不同動力學(xué)背景下產(chǎn)生的效應(yīng)可能疊加或抵消，此處表現(xiàn)為淺表地形響應(yīng)的疊加）。

因此，在同樣的浮力條件下，地幔上涌的速率得以提升，其所觸發(fā)的巖石圈底部的離散對流場也得到加強。離散對流場在巖石圈底部的拖拽作用與殘余塊體沉降所觸發(fā)的動力地形會共同導(dǎo)致地表出現(xiàn)公里級的沉降（圖 4e）。

此外，在該類模型中，地幔上涌的路徑會在上地幔發(fā)生大幅偏折，進而導(dǎo)致沉降中心偏離下地幔上涌的正上方；當(dāng)上涌物質(zhì)到達巖石圈底部后，只會觸發(fā)沉降區(qū)一側(cè)的地形發(fā)生反轉(zhuǎn)，未受到上涌托舉影響的另一側(cè)巖石圈，因之前經(jīng)歷過離散對流場的拖拽改造，其公里級的低洼地形最終得以保留（圖4f）。

效果：“透鏡”如何塑造大地

總結(jié)來說，這項研究提出，下沉殘余塊體會像“放大鏡”一樣，把深部地幔上涌（柱）對地形的影響放大并聚焦到相對有限的區(qū)域，導(dǎo)致狹長帶內(nèi)出現(xiàn)可維持的地表沉降，研究團隊將該現(xiàn)象稱為殘余塊體對地幔上涌的透鏡式聚焦效應(yīng)（圖 5）。

通過與多學(xué)科觀測結(jié)果的比對，團隊數(shù)值模型所揭示的深部動力學(xué)機制，可能為解釋在陸緣狹長地帶內(nèi)發(fā)育的、早于活躍巖漿活動（如地幔柱）且在巖漿活動結(jié)束后仍可維持的異常沉降現(xiàn)象提供新思路。

圖5.殘余塊體對深部地幔（柱）上涌的透鏡式聚焦效應(yīng)示意圖（圖片來源：中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）

該研究還表明，在缺乏決定性地質(zhì)學(xué)或地球物理學(xué)證據(jù)的研究區(qū)，下地幔低波速結(jié)構(gòu)、上地幔高波速結(jié)構(gòu)與淺表狹長地帶內(nèi)異常沉降現(xiàn)象的共存，可能為指示深部地幔存在有快速的物質(zhì)上涌或正在形成的地幔柱提供判別依據(jù)。同時，這一研究強調(diào)了地球內(nèi)部在表生系統(tǒng)中的作用，符合“深部過程塑造地表”的新理念，為我們理解地球提供了新的思路。

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責(zé)編丨張一諾

審校丨徐來、張林林