软流圈
ruǎn liú quān
软流圈是岩石圈之下上地幔中炽热、软弱、能够缓慢流动的一层,构造板块正是在其上运动。
Definition
软流圈是位于刚性板块正下方的一层柔软炽热的地幔物质;它虽然是固体岩石,但温度极高、质地绵软,能够缓慢流动,从而让上方的板块得以运动。它是上地幔中一个具有延性、部分熔融的区域,从岩石圈底部(约 $100\ \text{km}$)一直延伸到大约 $350$ 至 $700\ \text{km}$ 深处,那里的岩石接近熔点,含有少量熔体,而这些熔体正是中洋脊岩浆的来源。从流变学角度看,这是地幔粘度下降到约 $10^{19}$ 至 $10^{20}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$ 的一层,比岩石圈和下地幔低一到三个数量级。它之所以软弱,是因为温度接近橄榄岩的固相线,再加上少量水分以及大约 $1\%$ 至 $2\%$ 的部分熔融的作用。当软流圈物质在扩张脊之下发生绝热上升时,会产生减压熔融,生成熔融比例约为 $8\%$ 至 $10\%$ 的玄武质熔体。软流圈能够适应地壳均衡调整,因此冰后回弹速率可以直接用来测量它的粘度。
Example
想象一片饼干漂浮在浓稠的蜂蜜上:饼干就是板块,蜂蜜就是软流圈。在大西洋中脊之下,软流圈物质上升、减压并发生部分熔融,从而形成新的大洋地壳;在黄石公园之下,异常炽热的软流圈则为驱动间歇泉的岩浆系统提供物质来源。哈得孙湾和芬诺斯坎迪亚地区如今仍以约每年 $1\ \text{cm}$ 的速度进行的冰后抬升,与软流圈粘度约为 $10^{20}\ \text{Pa}\cdot\text{s}$ 的模型结果相吻合。软流圈中的地震各向异性,记录了橄榄石晶体因沿板块运动方向流动而形成的排列取向。
Key Insight
“astheno”在希腊语中意为“软弱”,软流圈正是使板块运动得以实现的那一层软弱物质。地震波穿过它时会减速,这也是它被发现的方式;地质学家称其为“低速带”。究竟是软流圈拖动了板块,还是板块运动带动了软流圈,这是一个真实存在的争论。目前的证据更倾向于板块驱动流动,其中板片拉力是主导性的力量。