问与答:板块构造学是理解地球演化的基础-但仍有大问题| 地平线:《欧盟研究与创新》杂志

莱切尔特(Rychert)博士用仪器探测深海底,以检测下面的构造板块正在发生什么。 来自英国南安普敦大学国家海洋学中心的地球物理学家向Horizo​​n讲述了板块构造中的剩余奥秘-以及她在一年的时钟数据传输后将其拖回运输船时发现的东西。

为什么了解板块构造很重要?

这对我们了解地球的演变具有广泛的意义。

在数十亿年前,地球以巨大的规模形成,其吸收的热物质围绕着年轻的太阳旋转而形成。 今天,地球和所有行星仍在释放热量。 由于各种因素,我们太阳附近的其他行星的发展也有所不同,包括吸积过程中所结合的物质,其冷却方式以及将不同的物质释放到大气/宇宙中。 地球的独特之处在于,它发展出了我们所知的板块构造,并通过包括放气和除气在内的整个过程,形成了大气,海洋和大洲以及适合生活的条件。

从减轻影响社会的地质灾害(如海啸,火山喷发和地震)到气候研究,甚至寻找其他遥远的行星,这些行星也可能具有适合生活的条件,具有广泛的含义。

我们知道地球的板块在运动–彼此拉开,摩擦或碰撞,从而将一块板块向下推而另一块板块向上推。 这如何塑造世界?

这就是使地球宜居的原因。 它形成了我们赖以生存的大洲–我们不能在水下生存。 当板块碰撞并俯冲(一个板块位于另一板块之下)时,就会产生岩浆,形成火山。 我们认为,此过程的多次重复才构成了大陆。

构造板块是地球水循环的一部分。 水束缚在组成板块的岩石矿物中。 板块俯冲时,这些板块将水带入地球,但其中的大部分水都是在火山喷发时释放的。 值得注意的是,尽管有大量的质量传递,但地球在数十亿年的时间里一直保持着稳定的水圈(行星表面的水量)。 这非常重要,因为我们的存在还取决于地球表面上水的存在。

许多人没有意识到的另一件事是,板块构造构造的山脉影响了我们的气候。 我们在水的上方和下方都有山脉,它们影响着大气和海洋的运动,进而决定了气候。 构造学也可以打开和关闭海洋盆地和类似地中海的海洋。

我们知道为什么板块构造是地球独有的吗?

正如地球的独特之处在于它具有自由的地表水一样,它也是我们太阳系中唯一拥有岩石表面板状构造循环的行星。 我们认为自由表面水的存在是造成板块构造的关键因素。 因此,两者之间有着千丝万缕的联系。

凯特·莱切尔特(Kate Rychert)博士正在大西洋海底进行地震实验,以更好地了解海床。  图片来源:Saikiran Tharimena

有哪些主要的未解决问题?

在板块构造理论中,存在着在较弱,更深的地幔上移动的刚性板块的存在,但是板块的确切厚度以及定义它们的方式尚不为人所知。 换句话说-是什么使板状板状? 这个基本问题是我的重点 欧洲实验室 实验。

使用热定义可以轻松地描述许多关于板块的观测结果:由于板块已经冷却,板块更加坚硬;由于板块位于地球表面,因此板块已经冷却。 但是,在过去的15年中,许多不同学科的观察结果表明,情况也有所不同。

关于它有很多想法,但是我们喜欢的一个想法是与(岩石的)部分融化的影响有关。 地幔中部分熔融的存在会削弱地幔。 可能是板的厚度和定义板的属性不仅取决于温度,还取决于熔体在地幔中的位置。 这将对我们如何建模和理解地球演化(包括驱动板块运动的因素)产生重大影响。

您正在做些什么来研究该理论?

我们推出了横跨大西洋的39台海底地震仪和39台海底大地电磁仪器。 地震仪可以探测地震,但是大地电磁对地球的自然电磁场很敏感。 想法是在分辨率和灵敏度范围内对印版成像。 数据对地球的性质提供了独立的约束,其优点是它们可以一起精确地限制熔体的位置。

这是一个很大的实验,因为在某些情况下大西洋的深度为5公里,因此这些仪器必须承受很大的压力。 他们必须工作整整一年,然后您必须将他们找回来。 那是昂贵且冒险的。

我们认为自由表面水的存在是造成板块构造的关键因素。

英国南安普敦大学的Kate Rychert博士

你发现了什么?

我们发现,某些地方的岩石圈会随着年龄的增长而逐渐变厚,就像您期望的那样。 但是在其他地方,我们实际上看到了更具起伏特征的证据。 可变性似乎是通过以动态方式与板熔融相互作用来控制的。

波动似乎是由对流单元(热物料上升而较冷的物料下沉)所决定的,该对流单元发生在数千公里之外。 在材料上升的地方,它也会略微熔化,而上升和熔化又会影响板的底部。 我们还发现了熔体上升的证据,并沿着板的底部以及其他未成像熔体的位置合并成通道。 总体而言,这表明该板是由一些非常有趣的熔体动力学定义的。

到目前为止,还没有大规模的海底地震实验。 这是因为它是一个偏僻而艰苦的工作场所,并且还因为人们普遍认为海洋岩石圈在大多数情况下是简单的。 但是,如果系统更加复杂,并且如我们的结果所示包括熔体动力学,则需要进行更多的成像研究才能充分理解该系统。

这样的工作将如何帮助我们?

我们通常通过监视地震,海啸和火山来研究地震,这确实很重要。 但是,要完全了解这些系统,我们确实需要了解驱动它们的板块构造。 这对于了解地质时间尺度上的气候变化也很重要。

最后,这也将是更好地联系我们对当今构造和构造运动的理解以更好地了解当前气候的关键。

为了清楚起见,本次采访已经过编辑和整理。

本文中的研究由欧盟欧洲研究理事会资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。


This article was originally published in Horizon, the EU Research and Innovation magazine

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