百慕大之謎解開：12英里厚的浮力堅(jiān)硬巖石層支撐著它漂浮

百慕大Landsat 8衛(wèi)星圖像

百慕大群島為何能在大西洋中屹立數(shù)千萬年而不沉入海底,這個困擾地質(zhì)學(xué)家已久的謎題終于有了答案。卡內(nèi)基科學(xué)研究所的地震學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過分析地震波數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在百慕大海洋地殼下方隱藏著一層厚達(dá)20公里的巨大巖石結(jié)構(gòu),這個此前從未被報道過的"地質(zhì)浮筏"正是維持這座火山島持續(xù)漂浮的關(guān)鍵。這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了關(guān)于海洋島嶼演化的傳統(tǒng)理論,揭示了地球深部過程比我們想象的更加復(fù)雜和多樣化。

按照經(jīng)典的板塊構(gòu)造理論,火山島通常由地幔熱柱活動形成。熾熱的巖漿從地球深部上涌穿透地殼,在海底堆積形成火山錐,最終露出海面成為島嶼。夏威夷群島就是這種機(jī)制的典型例證,至今仍有活躍的火山活動。然而當(dāng)巖漿供應(yīng)停止后,下方的巖石圈逐漸冷卻收縮,密度增加,島嶼會因失去浮力支撐而緩慢下沉,最終成為海面下的海山。這個過程在地質(zhì)時間尺度上相對快速,通常在數(shù)百萬年內(nèi)完成。

百慕大的情況顯然不符合這個模式。這座群島上一次大規(guī)模火山噴發(fā)發(fā)生在約三千萬至三千五百萬年前,從那以后火山活動就徹底停止了。按照常規(guī)演化路徑,它早就應(yīng)該沉入海底。但現(xiàn)實(shí)是百慕大不僅沒有下沉,反而坐落在一個顯著的海底隆起之上,周圍海床比正常深度淺了約500米。這種持續(xù)的地形異常一直缺乏令人信服的解釋。

地震波揭示的地下秘密

研究團(tuán)隊(duì)采用了接收函數(shù)分析技術(shù)來探測百慕大地下結(jié)構(gòu)。這種方法利用島上永久性地震臺站記錄的全球大地震產(chǎn)生的地震波。當(dāng)?shù)卣鸩ù┰讲煌芏群蛷椥缘牡刭|(zhì)層時,會發(fā)生反射和折射,傳播速度也會突然改變。通過精細(xì)分析這些速度變化,科學(xué)家可以像醫(yī)學(xué)CT掃描一樣重建地下的三維結(jié)構(gòu)圖像。

研究結(jié)果令人驚訝。在百慕大下方約50公里深度范圍內(nèi),研究人員識別出多個具有不同地震波速度特征的地質(zhì)層。最淺的層與火山體本身和上層海洋地殼相關(guān),這符合預(yù)期。但在海洋地殼底部和堅(jiān)硬的上地幔之間,存在一個厚度達(dá)20公里的特殊層位。這個規(guī)模的地殼增厚在洋底島嶼下方前所未見。通常情況下,海洋地殼厚度只有6到7公里,即使在火山建筑下方也不會有如此顯著的增厚。

更關(guān)鍵的是,這個巨厚層的地震波速度特征表明其密度低于周圍的地幔巖石。地震波在較輕物質(zhì)中傳播速度較慢,研究人員觀測到的速度異常恰好印證了這一點(diǎn)。這種密度差異創(chuàng)造了浮力效應(yīng),就像木頭浮在水面一樣,較輕的巖石層能夠支撐上方的島嶼不下沉。研究團(tuán)隊(duì)將這個結(jié)構(gòu)形象地稱為"巖筏",它從下方托舉著整個百慕大群島。

關(guān)于這個巖筏的成因,研究人員提出了合理的解釋。在百慕大火山活動的鼎盛期,大量巖漿從地幔涌向地表。除了噴發(fā)形成可見的火山錐外,相當(dāng)一部分巖漿被注入到地殼深部,形成侵入巖體。這些巖漿冷卻凝固后,就變成了密度相對較低的火成巖。三千多萬年的時間里,這個巨大的巖漿房逐漸固化,形成了今天觀測到的厚層結(jié)構(gòu)。由于火成巖密度普遍低于地幔橄欖巖,這個巖筏獲得了持久的浮力,足以抵消島嶼重量并維持其高度。

重新認(rèn)識海洋島嶼演化

這一發(fā)現(xiàn)對理解海洋島嶼的長期演化具有重要意義。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,沒有持續(xù)熱源支撐的火山島必然下沉,但百慕大案例表明,巖漿活動期間形成的深部巖石結(jié)構(gòu)可以提供長期穩(wěn)定的機(jī)械支撐。這種機(jī)制可能在其他看似異常的海洋島嶼中也存在,只是此前缺乏足夠精細(xì)的地球物理探測數(shù)據(jù)來識別。

研究還排除了另一種可能的解釋,即百慕大下方存在熱地幔柱。地幔柱是從核幔邊界上涌的熾熱巖石流,可以為島嶼提供持續(xù)的熱浮力支撐。夏威夷和冰島等地的研究已經(jīng)證實(shí)了地幔柱的存在。但百慕大的地震層析成像顯示,其下方地幔的溫度并沒有顯著異常,不存在活躍的熱柱結(jié)構(gòu)。這意味著百慕大的浮力完全來自冷卻固化的巖石結(jié)構(gòu),而非熱力學(xué)效應(yīng)。

從更廣闊的地質(zhì)學(xué)視角看,百慕大的存在本身就是板塊構(gòu)造理論的一個挑戰(zhàn)。它位于大西洋中脊和北美大陸之間的洋盆中部,遠(yuǎn)離板塊邊界和已知的熱點(diǎn)。其火山活動的成因一直存在爭議。一些學(xué)者認(rèn)為它與大西洋中脊的裂谷作用有關(guān),另一些則傾向于地幔柱假說。新研究雖然否定了現(xiàn)今存在活躍地幔柱,但并未完全解決三千萬年前是什么觸發(fā)了那次火山爆發(fā)的問題。

百慕大群島在大眾文化中因"百慕大三角"傳說而聞名,這片位于百慕大、佛羅里達(dá)和波多黎各之間的海域據(jù)稱發(fā)生過大量船只和飛機(jī)失蹤事件。雖然科學(xué)調(diào)查早已證明這些失蹤案例并不比其他海域更頻繁,純屬統(tǒng)計巧合和媒體渲染,但神秘色彩為百慕大增添了額外的知名度。如今關(guān)于百慕大地質(zhì)穩(wěn)定性的科學(xué)發(fā)現(xiàn),為這座島嶼增加了真正值得關(guān)注的奇特之處。

這項(xiàng)研究成果已發(fā)表在《地球物理研究快報》期刊上。研究方法本身也具有推廣價值,接收函數(shù)分析技術(shù)可以應(yīng)用于其他海洋島嶼的地下結(jié)構(gòu)探測,幫助科學(xué)家建立更完整的海洋島嶼演化模型。未來研究可能會在其他長壽命的火山島下方發(fā)現(xiàn)類似的巖筏結(jié)構(gòu),從而揭示這種機(jī)制的普遍性。

對于地球科學(xué)而言,百慕大案例再次證明了地球內(nèi)部過程的復(fù)雜性和多樣性。自然界常常超越我們建立的簡化模型,呈現(xiàn)出意想不到的機(jī)制和結(jié)構(gòu)。正是這些"異常"現(xiàn)象推動著科學(xué)認(rèn)識的不斷深化,提醒我們保持對未知世界的好奇和謙遜。百慕大的巖筏不僅解釋了一個地質(zhì)之謎,也為我們理解地球的運(yùn)作方式打開了新的窗口。