把地球画成洋葱,人人都会把刀切在莫霍面上。但板块能滑动,靠的不是莫霍面,而是它下面一层变软的地幔。岩石圈与软流圈的分界不看岩石类型,只看这一层还能不能长期扛住应力,这是一条力学界线,与岩石成分无关。
先找低速带:横波在百余千米深处明显变慢
在全球多数地区,深 100–250 千米之间存在一个地震波低速带,横波速度比上下相邻层低 3–6%。速度下降说明介质变软,这一带的顶面通常被当作软流圈的上界。
低速带的成因是接近熔点的地幔发生少量熔融,熔体沿颗粒边界分布,很少的熔体量就能显著降低波速。横波速度下降 3–6%、且能在全球追踪到的那一层,就是软流圈的主体,它同时也是导电性偏高的一层,可用大地电磁法追索。
低速带并不处处等深,洋脊下它抬到几十千米
洋中脊下方热流高、地温曲线陡,软流圈顶面抬升到 30–50 千米甚至更浅;往海沟方向,同样的界面被压到一百千米以下。同一个界面,在两类边界下相差数倍,热状态是唯一的原因。
老洋壳一侧,岩石圈随冷却增厚,一亿年的洋壳下面岩石圈可达 90–100 千米。低速带顶面深度随热状态变化,这正是它属于力学界面而非成分界面的证据,也解释了洋脊为什么总坐在地形隆起上。
最硬的判据是地幔包体:橄榄岩的温压记录能对上深度
金伯利岩和碱性玄武岩会把地幔橄榄岩碎块带到地表。对包体测温压,若平衡点落在浅处并接近地表热流推算的地温线,说明该处岩石圈较薄,软流圈顶面浅,热流值也应偏高。
克拉通内的包体给出更深的平衡深度,且年龄可达数十亿年,说明那里的岩石圈极厚且长期稳定。包体温压点与地温线的交点,是把岩石圈厚度钉死的关键,比单看波形更直接。
混进来的是有效弹性厚度,它比地震岩石圈薄得多
用重力与地形载荷反演得到的有效弹性厚度,大洋多在 10–40 千米,大陆 20–80 千米,明显小于地震学定义的岩石圈厚度。两者量的不是同一件事,混用会得出互相矛盾的结果,讨论前先对齐定义。
有效弹性厚度反映短期载荷下的弯曲刚度,时间尺度拉长,岩石圈仍会流动。看到两个厚度数值差出数倍,先确认它们是不是同一套定义,再讨论谁对谁错。
关键数据
下列数值为全球常见范围,克拉通、洋脊与俯冲带的偏离都很大。
- 低速带常见深度 100–250 千米,横波速度降低 3–6%
- 洋脊下软流圈顶面可抬升至 30–50 千米
- 一亿年洋壳之下岩石圈厚约 90–100 千米
- 大陆岩石圈一般 100–200 千米,克拉通可更厚
- 有效弹性厚度大洋 10–40 千米,大陆 20–80 千米
- 软流圈黏度约 10^21 Pa·s 量级,可缓慢对流
边界:克拉通核部与俯冲带里,低速带可能根本不存在
克拉通下方地温曲线低,地幔长期未达固相线,100–250 千米段落看不到明显低速带。此时软流圈顶面只能靠包体与大地电磁资料推断,单靠地震波会得出岩石圈极厚的假象,把热状态的影响算成了厚度。
俯冲板片插入地幔后,把冷而快的物质带到同一深度,波速反而偏高,低速带被切断。用一条垂直剖面的速度曲线判断厚度,容易把板片误当成巨厚岩石圈,这是常见的判读错误。
参考文献
- Fowler C. M. R. The Solid Earth: An Introduction to Global Geophysics. Cambridge University Press.
- Artemieva I. M. The Lithosphere: An Interdisciplinary Approach. Cambridge University Press, 2011.
- 曾融生.《固体地球物理学导论》. 科学出版社.