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科学家:南极地下发现数百个隐蔽地震,它们发生在非常奇特的地方

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在大多数人的印象里,南极洲是一片地质上极其安静的大陆:数千米厚的冰盖覆盖大地,既远离环太平洋的火山地震带,也没有活跃的板块碰撞,似乎连地壳的震动都与这里无缘。



但发表在《科学》杂志上的一项最新研究,彻底打破了这个认知:科研团队在东南极戴维冰川的下方,发现了数百次发生在上地幔内部的中深源地震。



这些发生在板块内部的深部震动,不仅刷新了我们对南极地质的认知,也为解释全球范围内的异常地震提供了全新的思路。

按照经典的板块构造理论,地震几乎都发生在板块交界地带:板块相互碰撞、俯冲或者错动,岩石受力破裂,就会引发震动。

而板块内部的地壳应该相对稳定,很少发生变形。

更难解释的是深度超过70公里的中深源地震——在地下几十上百公里的深度,温度和压力都显著升高,通常认为岩石会变得柔软、容易发生塑性变形,本该像橡皮泥一样缓慢形变,而不是像玻璃一样脆断引发地震。



此前全球仅在阿富汗兴都库什、摩洛哥阿特拉斯山脉、罗马尼亚弗朗恰等少数区域发现过这类板内中深源地震,学界通常用古俯冲残留板片、大陆岩石圈拆沉、地幔滴状下沉等机制解释。

但南极显然不符合这些条件:这里没有现代俯冲带活动的痕迹,地下层析成像也没有发现下沉的残留岩石圈。

想要弄清这些地震的成因,首先得先准确锁定它们的位置。

研究团队整理了东南极维多利亚地区49个地震台站、跨度十余年的观测数据,用经过迁移学习优化的深度学习算法筛选信号。

过去受限于技术,很多震级小于3级的微弱地震会被冰盖滑动、仪器噪声等信号掩盖,而AI模型能精准识别地震波的纵波、横波到时,从海量数据里识别出1068次地震事件,震级在1.6到3.5级之间。

经过精准重定位后,这些地震明显分成了两群:

一群是0到40公里深的浅源地震,和冰盖底部滑动、冰川运动等冰冻圈过程有关,和此前的认知一致。

另一群足足有510次,属于深度大于70公里的中深源地震,集中在100到150公里的深度范围,全部聚集在戴维冰川下方的岩石圈-软流圈边界附近。



研究人员通过波速模型验证、概率密度定位等多重方法交叉核对,确认这些地震的水平与垂直位置误差均不超过20公里,这绝非误判。

那为什么偏偏是戴维冰川下方出现了这么多深源地震?

谜底藏在地下的岩石圈结构里。

东南极洲是有着数十亿年历史的古老克拉通,地下的岩石圈又厚又冷,坚硬且强度极高;而西侧的西南极裂谷系统岩石圈更薄、温度更高,质地更软。

两者在横贯南极山脉一线交汇,形成了一道陡峭的岩石圈强度梯度带——就像一块厚硬的钢板旁边挨着一块薄软的铁皮,受力时最容易断裂的地方,永远是两者交界的边缘。

但光有强度梯度还不够。

地下更深处的软流圈地幔在缓慢流动,会给上方的岩石圈施加垂直方向的力,造成地表的动态抬升。

在戴维冰川的南北两侧,皇家学会山脉和深冻山脉下方的热地幔物质延伸更靠内陆,抬升作用更强;而戴维冰川所在的位置,热低速地幔体位置更靠外,抬升幅度更小。

一高一低的差异,就让坚硬的东南极岩石圈边缘像被两端抬起的木板一样,发生了向上凹的弯曲,在岩石圈内部形成“浅部挤压、深部拉张”的应力分布。



100到150公里的深度恰好是个微妙的位置:该深度处东南极冷岩石圈的温度约为690℃,还没高到让岩石完全失去脆性,依然能发生摩擦型破裂。

当弯曲积累的应力超过岩石强度极限时,就会产生断裂,引发地震。

研究团队解出了13次地震的震源机制,其中9次以挤压为主,4次以拉张为主,整体与弯曲应力的分布模式相吻合。

目前热剪切失稳等其他机制尚不能完全排除,但观测结果更支持冷岩石圈内的摩擦失稳成因。

更有意思的是,地表的冰盖也在这场深部地震里扮演了角色。

冰川的重量会给地壳施加额外载荷,冰川侵蚀引发的地壳均衡抬升、冰盖消长带来的冰均衡调整,都会叠加在岩石圈的弯曲应力之上。

从百米厚的冰盖到百公里深的地幔,冰冻圈、岩石圈、软流圈三层联动,共同促成了这些特殊的地震。

厚厚的冰盖之下,南极大陆的地下远比我们想象的更活跃。

这些微弱的深部震动,既是地球内部应力的低语,也是解开板块内部构造活动之谜的钥匙。

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