北美地壳，正在被吸入地幔

我们常将地震、火山喷发等剧烈的地质活动，视为地球活跃的表现。但也有一些区域——克拉通（Craton，源自希腊语中的“力量”一词），任地球如何“折腾”，它总是稳定而安静，像沉睡的巨人一样，数十亿年来多波澜不惊，深深地扎根于大陆的最下方。在包含地壳和部分上地幔的岩石圈中，克拉通是最少发生构造活动的区域。

古老、厚重且稳定，这是地质学家描述克拉通时最常用到的词。因为克拉通形成于约30多亿至15亿年前，且厚度能达到150~250千米。与之相对的是，一些新生的陆地岩石圈厚度可能仅有数十千米。在深度上，克拉通贯穿了地壳与上地幔，其根部可以向地幔延伸长达数百千米。低密度、低含水量及厚岩石圈根的特性，使得克拉通可以漂浮在地幔软流圈之上，这可能在一定程度上使其免受后期地质作用的改造或破坏。作为大陆地壳中最稳定的部分，克拉通在全球广泛分布，包括中国、俄罗斯、南美、南非、北美以及西澳大利亚等地，几乎占据了大陆一半以上的区域。

克拉通本应是极其稳定的状态，但近年来，科学家逐渐发现许多现存的克拉通其实也遭受了改造和破坏。其中最典型的一个例子就是华北克拉通东部，位于渤海湾的部分，这里曾发生过大规模根本性的岩石圈破坏，其厚度从原本的约200千米减薄至如今的60至80千米。在全球分布的众多克拉通中，华北克拉通遭受的破坏最为极端，这让科学家一直都非常好奇，是怎样的地质过程破坏了原本稳定的克拉通？稳定的岩石圈又是如何减薄的？尽管科学家提供了诸多岩石圈变薄机制解释这一现象，但在上亿年前发生的变化，如今很难确切追溯。

为了更好地认识岩石圈演化的过程，理解克拉通变薄的机制，科学家一直在试图探索克拉通在特性和结构上可能发生的变化。中国科学技术大学地球和空间科学学院特任教授花君临就对此非常感兴趣。在美国得克萨斯大学奥斯汀分校（The University of Texas at Austin）做博士后研究员时，他和同事仔细研究了北美克拉通，结果惊讶地发现，位于美国中西部地区的克拉通像一个漏斗一样，其底部的岩石圈物质正不断“滴入”地幔深处，且这种影响似乎并没有局限在某一处，而是导致了北美克拉通覆盖美国和加拿大南部的大面积区域都在减薄。这项研究已于3月28日发表于《自然·地球科学》（Nature Geoscience）。

给地球内部拍照

“其实我们不是一上来就知道北美克拉通正在发生减薄的，”花君临在接受《环球科学》采访时表示，“只是因为克拉通本身就很重要，我们希望应用新的地震成像技术，对北美地区的克拉通进行成像，看能否在前人研究的基础上得到一些新知。”

为了“看清”地球内部的构造，科学家需要借助地震波成像技术。“地震波有点类似于在医院里做b超用到的超声波，”花君临解释道。当地球内部发生地震，会以地震波的形式向四面八方发射能量，地震波在传播路径中会经过不同的介质，其传播速度会受介质影响，或快或慢地传到地表，被地表的地震台站接收到。传统的地震波成像主要借助地震信号传到多个地震台站的到达时间的早晚（也称到时），来推测其传播路径上的地震波速，进而反推地球内部的结构。

与传统方法相比，花君临和同事不仅利用了地震波的到时信息，还用计算机对地震波在地球内部传播的过程进行了数值模拟，尽可能利用上地震波各种各样的波形数据——这种方法也被称为全波形地震反演（full-waveform seismic tomography）。“我们可以得知地震波抵达地震台站时的具体波形，”花君临解释道，“通过不断调整拟合过程，我们希望计算机模拟出的波形最终与观测到的波形保持一致。”

尽管这种方法大大提升了计算量，但它可以运用更多的信息，比如地球内部介质对地震波传播的影响远不止到时，而隐藏在波形里的微弱影响就可以通过计算机拟合挖掘出来，从而实现更高精度的成像。也正是借助这种新技术，花君临和同事发现了北美克拉通底部异常的端倪。

滴入地幔的克拉通

北美克拉通的深度大概有200千米，而与其他介质相比，地震波在经过克拉通时会表现出一种高速的特征。但有趣的是，研究人员在200千米以下的地幔深处，这个本不属于岩石圈的区域，观测到了高波速的异常信号。这些高波速的异常代表什么？

带着这样的疑问，花君临和同事用矿物物理学工具，分析了波速异常所揭示的物质的温度及组分异常。结果显示，这些异常信号可能表明该区域含有更多的来自克拉通的组分。“也就是说，一些克拉通岩石圈的组分，它没有待在200千米以上的位置，而是进入到地球深处、上地幔更深的地方，”花君临解释道，“显然，一些克拉通的物质掉下去了。”

花君临和同事观测到的垂直向下流动的区域大概有150万平方千米，就像一个漏斗一样，只不过漏斗底部输送的是克拉通物质，而漏斗底部的横截面有150万平方千米。如果考虑到滴漏过程对北美克拉通底部水平方向的影响，它波及的范围可能更大，自然而然会在一定程度上减薄北美克拉通。

这是一项令人兴奋的成果。此前研究的大范围克拉通减薄现象几乎都是“过去时”，科学家只能像侦探一样，尝试根据地球深处遗留的蛛丝马迹，破解克拉通减薄背后的机制。但这次的发现，首次让科学家得以实时观察克拉通减薄的“进行时”过程。尽管所谓“实时”的时间流逝尺度，是以百万年计量的。

漏斗下的古老板块

对于研究者而言，仅仅知道北美克拉通正在减薄这一现象，远远不够。更根本的问题是：它是以怎样的形式发生减薄的？又是什么原因促使它“滴落”？因此，在这项发现的基础之上，花君临和同事进一步用到了地球动力学模拟工具，来模拟地幔发生对流的物理过程，试图解开北美克拉通减薄之谜。借助这种方法，他们锁定了“罪魁祸首”——神秘而古老的法拉龙板块（Farallon Plate）。

法拉龙板块是一个非常巨大的古大洋板块，在过去的数亿年间，它不断地向东俯冲到北美和南美大陆之下，如今已几乎全部进入下地幔（660千米以下）中，在北美克拉通下方，从600千米深一直延伸至2000多千米。法拉龙板块仍在向地球深处俯冲，这个过程会对上方的所有地幔产生向下的拉力，而这种拉力就会拉着岩石圈底部的物质，将它拉入更深的地幔。

与克拉通直接接触的上地幔，在百万年的时间尺度下，本质上会表现为一种黏性流体，就像蜂蜜、糖浆一样。花君临和同事发现，一旦在地球动力学模拟中去掉法拉龙板块，就无法观测到岩石圈下方克拉通物质的向下输送。模拟中克拉通物质向下流动的空间位置与实际观测到的位置高度吻合，这也表明法拉龙板块的俯冲过程可能导致了上地幔与克拉通一直向下流动。

另一方面，上地幔垂直向下的大规模流动也会造成岩石圈底部的水平流动，而这一过程又会水平削切克拉通的底部，使其被输送到垂直向下流动的漏斗处。计算表明，尽管漏斗底部的范围仅有150万平方千米，其上方减薄的范围可能会超过400万平方千米。

这项研究让科学家首次得以实时观测克拉通减薄现象，并提供了一种克拉通减薄的机制，不过它可能只局限于解释北美地区的克拉通。因为这类机制很可能因地制宜，不一定适用于其他地区的现象。但这项发现无疑能帮助科学家更好地理解克拉通的变化，进而理解地球乃至其他行星岩石圈的演化。

而对于生活在地表之上的我们，一些生活在北美地区的人可能担心这类事件会导致地表出现明显形变，好消息是“北美克拉通减薄的过程是以百万年计算的，所以其实完全没必要担心它实际上会对我们人类的生活造成影响”，花君临特意解释道。而且，随着法拉龙板块的不断下沉，它对上方克拉通的影响也会越来越微弱。