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印度洋中的“重力洞”是怎么形成的？

时间 :2023-07-11 10:30:23   来源 : 科技日报

我们生活在一个密度大致均匀的球体上，但你是否以为地球表面的重力在各处都一样？事实上，更精确的计算表明，不同地点的地球重力存在微小但可测量的差异，而这也导致了海平面的高低起伏。

在印度洋中部，有一个巨大的“重力洞”，这里的海平面比全球平均水平低了100余米，几十年来，它的形成之谜一直困扰着科学家。

这个覆盖超过300万平方公里的重力异常区域实际上并不是一个物理意义上的洞，而是指地球重力低于平均水平的海洋区域。


【资料图】

研究这个“洞”的科学家们长期以来一直认为，是海面下的某些物质导致了这种奇怪的现象。

但一项发表在《地球物理研究快报》上的新研究论文表明，研究人员应该“风物长宜放眼量”，将研究重点放在“洞”周围的板块运动上，而非其下方。研究发现，从古代海床的残余物中升起的熔岩羽流可能是形成“重力洞”的主要原因。

引力场变化与地球质量分布有关

为什么地球表面存在重力大小不一致的现象？

这项新研究的资深作者、印度科学研究所地球物理学家阿特雷伊·戈什在接受科技日报记者采访时表示，想了解地球各处重力的差异，首先要从地球的形状谈起。

“地球看起来是圆的，但实则偏向椭圆，就像一个马铃薯，赤道周围凸起，两极平坦。其表面重力的总体特征是，一般地球的重力常数是9.8米/平方秒，而赤道处最小，约为9.78米/平方秒；两极最大，约为9.83米/平方秒。”戈什解释道。

但是，由于重力与质量成正比，因此地球引力场的变化又与其内部质量的分布有关。想象一下，地球表面被平静的海洋覆盖，地球引力场的变化将使这个理想化的海洋上产生隆起和凹陷，二者分别对应着较大和较小的质量区域。这使地球表面看起来就像面团一样疙疙瘩瘩。由此形成的略有起伏的不规则曲面被称作大地水准面。

此外，戈什还告诉记者，地壳、地幔和地核质量与密度的不均是导致重力存在差异的次要原因。

用计算机模型追踪“重力洞”起源

戈什介绍道，印度洋下大地水准面的明显倾斜，被称为“印度洋大地水准面低点(IOGL)”。重力异常是指某个特定区域的重力低于地球平均重力。它就像引力场中的一个“洞”，影响着该地区的海平面。IOGL就是地球上最显著的重力异常区域之一，覆盖了印度洋的广阔区域。

这项研究的主要作者、印度科学研究所博士生德班詹·帕尔称，IOGL是1948年荷兰地球物理学家费宁·梅内斯在船上进行重力测量时发现的。自那以后，其他船上的探险队和卫星的测量都证实了IOGL的存在。但科学家们不知道它为什么会在那里。

在这项研究中，戈什和帕尔利用地面传感器和卫星进行了局部重力测量，比较了19种计算机模拟场景，通过重建过去1.4亿年的板块构造运动来追踪“重力洞”的起源。

研究发现，IOGL是印度洋下方地幔质量缺乏的结果。具体而言，“低密度异常”即IOGL下的上地幔到中地幔中存在较轻的元素，是造成该地区低重力的原因。

那么，该地区为何有如此独特的地质构造？

戈什告诉记者，非洲下方地幔深处存在一个通常被称为“非洲斑点”的大型低剪切波速省(LLSVP)，它很可能是由地幔深处的“特提斯板块”运动形成的。

2亿多年前，古特提斯洋位于劳亚大陆和冈瓦纳超级大陆之间，但在大约1.2亿年前，随着冈瓦纳大陆和劳亚大陆的距离越来越近，古特提斯洋开始闭合，最终消失了，形成了现在的印度洋和大西洋。古特提斯洋的俯冲板块沉入地球内部，形成了一些温度异常区域，影响了地幔对流和地壳运动。其中一个异常区域就位于非洲下方，这就是“非洲斑点”。

帕尔表示，当属于古特提斯洋的俯冲板块下沉到地幔内部并到达核—幔边界时，造成了地幔中熔岩的强大向下运动。为了平衡这种向下运动，热而轻的地幔流开始从印度洋下面上升，形成所谓的“熔岩羽流”。这些羽流可能是IOGL形成的原因。这种熔岩羽流的上涌始于大约2000万年前。当羽流在岩石圈下面移动并接近印度半岛时，重力异常变得更加强烈和明显。

这些研究还表明，除了这些羽流外，周围的地幔结构也导致了“低密度异常”的形成。

“重力洞”成因仍众说纷纭

美国海洋网报道称，当地球核心的引力削弱地幔，使其更具浮力，更容易移动时，就会出现核心拉动削弱效应。这种效应被认为是构造板块运动和海洋地壳形成的原因。

因此，“重力洞”的发现表明，在地幔中部深度可能存在着地核拉动削弱效应，也就是说，这一地区的地幔可能比以前人们认为的更具有浮力且更容易移动。这可能有助于我们理解板块构造和海洋地壳的形成。

尽管“重力洞”覆盖范围广阔，且该区域海平面低于平均水平，但戈什表示，“重力洞”的存在并不会造成什么影响。

“如果你乘船进到这个区域，你会发现海面逐渐向下倾斜，但在经过之后，你的船又再次随着海面上升，回归到了一般水平的高度。”戈什说。

几十年来，印度洋的“重力洞”令无数科学家着迷。虽然对其确切成因尚未达成共识，但科学家们已经提出了几种理论来解释这种现象。

美国海洋网报道称，一种理论认为，“重力洞”是“板块墓地”的残余物。大约3000万年前，古老海洋寒冷而致密的残余物沉入非洲地下的“板块墓地”，并随着时间的推移不断堆积，形成了一个低密度岩浆区域，导致地壳凹陷。随着时间的推移，凹陷变得更深、更明显，最终形成了我们今天看到的“重力洞”。

另一种理论认为，“重力洞”的形成是因为地球开了“热点(hotspot)”，其中一股炽热的熔岩从地幔中升起，并将地壳熔穿。随着岩浆冷却和凝固，它会形成一个低密度岩石区域，导致地壳凹陷。

还有一些科学家认为，“重力洞”是这两个过程结合的产物。他们认为，一个“热点”首先形成了地壳凹陷，然后又充满了冰冷、致密的洋壳残余物。

尽管此次戈什与帕尔基于计算机模型调查出了“重力洞”的一种成因，但戈什强调，可能还有其他支持证据来解释IOGL的成因，因此还需要做进一步的研究。至于“重力洞”的未来变化，也要看地球内部会发生什么，目前还暂时无法预测。无论如何，“重力洞”提醒着人们，我们还远远没有理解我们生活的这个星球存在的所有奥秘。

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