地幔是固态的，那大洋地壳是怎么俯冲进去的？

知乎上有这样一个问题，「地幔是固态的，那大洋地壳是怎么俯冲进去的？」

在我看来，这是密度和黏度差异所致，还有两个非常重要的因素，温度和时间。下面容我慢慢道来。

精简版

在现有的认识里，地幔确实是固态，但在较高温度和较长的地质时间尺度下，地幔可以发生相对流动。

由于大洋岩石圈持久演化逐渐冷却增厚和岩石相变，导致密度增加，可以沉入密度和黏度都相对小的一定深度的地幔。

地质历史早期可能为垂向构造，此后从初始板块构造过渡到现代板块构造演化阶段 | Gerya，2019

Part.1

时间的力量

我想先谈谈时间的力量。

地质学演化动辄几千万年，时间尺度观非常重要。

在较大的时间尺度内，正应了古希腊哲人赫拉克利特的那句话—万物皆流。

例如，猫看起来是固态，但是可以流……算了，换个例子。

例如，一块面团，虽然是固态，但我们知道它可以流动。

因为，静置一段时间，面团会在自身重力和大气压力作用下，向周围流动、逐渐展平。

此过程，我们无需花太多时间就能亲眼检验。

没找到合适的图，用奶酪流变图凑合一下（由于加了边界条件，所以流动没有那么明显）| Selverstone，2005

但如果我们只盯着面团看几秒钟，很难察觉它有任何变化。

除非你是博尔赫斯小说《博闻强识的富内斯》中的富内斯。

记忆力超群的富内斯，能记住事物的所有细节，他回忆任何一天发生的事情都需要一整天的时间，因为他能记住那一天的任何细节，就像看录像回放。他能在看到腐烂的悄悄的进程。在他的世界里，一切事物的演化就像是开启了倍速的高分辨率视频。

富内斯不断地看到腐烂、蛀牙和疲劳的悄悄的进程。他注意到死亡和受潮的进展：

我们一眼望去，可以看到放在桌子上的三个酒杯；富内斯却能看到一株葡萄藤所有的枝条、一串串的果实和每一颗葡萄。他记得1882年4月30日黎明时南面朝霞的形状，并且在记忆中同他只见过一次的一本皮面精装书的纹理比较，同凯布拉卓暴乱前夕船桨在内格罗河激起的涟漪比较。那些并不是单纯的回忆；每一个视觉形象都和肌肉、寒暖等等的感觉有联系。他能够再现所有的梦境。他曾经两三次再现一整天的情况；从不含糊，但每次都需要一整天时间……我们能够充分直感的形象是黑板上的一个圆圈、一个直角三角形、一个菱形；伊雷内奥却能直感马匹飞扬的鬃毛、山同上牲口的后腿直立、千变万化的火焰和无数的灰烬，以及长时间守灵时死者的种种面貌。我不知道他看到天上有多少星星。

如果我们有富内斯的能力，那么我们眼中的面团也会是一直在流动。

不仅水、油、面团等可以流动，冰、玻璃、岩石同样可以流动。

油、面团的流动性质几分钟就可以观察到；

冰川、盐川的流动需要几周、几个月甚至几年时间才能观察到；

流动的冰川

花上几个世纪的时间，你甚至可以观察到玻璃和岩石的流动。

比如有些欧洲中世纪大教堂的玻璃，已经变形；很多古老公园的大理石凳，在自重和游人体重等长时间作用下已发生下沉弯曲。

地质演化的时间多以百万年（Ma）记，这种缓慢的变形被称为“蠕变”。地质学中理解的岩石流动就是变形的逐渐连续积累，就是塑性变形过程。

例如下图，岩石受到挤压力，岩石并没有破裂，而是发生褶皱。

我们现今在野外还能见到这种褶皱构造，然而当年的挤压作用力早已撤去，成为往事，记录在变形的岩石上。

像这种受到力的作用发生变形，撤去该力之后，变形仍能够保持，我们通常称之为塑性变形。

这种塑性变形，其实就是岩石在力的作用下发生“流动”。

地幔和岩石圈都是固态，但是在地质时间尺度，它们都在流动，这些流动都记录在变形的岩石中。

短时间内，你可以轻易将一块巧克力塞进面团；

类似，在长时间内，大洋岩石圈也可以通过俯冲，进入地幔。

因此，很多材料是固体，但它们其实正在经历缓慢的变形，只不过是要经历更多的时间。在一定的时间尺度下，许多材料会表现的像流体。

描述物质的这种流动性，通常用术语“黏度”。

Part.2

流动的盛宴—黏度

黏度，指的是物质的流动性，任何流体都有黏度。

随便在网上搜一个常见物质黏度表：

常温下，水的黏度是1cP；

49℃，巧克力的黏度是17000cP。

我们可以据此感受一下常见物质的流动性差异。

上文说过，在地质时间尺度下，岩石也可以流动，因此岩石也有黏度，只不过这个黏度非常大。

有多大？

常温下水的黏度为1cP=10^-3Pa·S。

上地壳岩石的黏度大约为10^22Pa·S，与常温下水的黏度大概差25个数量级。

岩石的黏度与49℃巧克力的黏度大概差20个数量级。

地幔的黏度大概为10^21Pa·S。

可想而知，没有地质时间尺度观，根本无法想象。

温度也是很重要的因素。

温度对岩石黏度的影响极大。

增温会使岩石黏度降低，使之更易流动。

例如，常温的玻璃黏度较大，很难发生流动，如果施加外力，它会宁折不弯；

但是，给玻璃增温，逐渐软化，黏度大幅度降低，变容易弯曲。

如下图，对于地壳中的岩石，在地质时间尺度下，逐渐增温（地壳增厚放射性元素增温），80Myr之后（8000万年之后），地下30km深度的花岗质岩石的黏度能下降5个数量级。

双层叠置地壳随时间-温度增加的黏度变化 | Gerya，2002

那么是什么力量驱动这种流动？

板块运动的水平构造力就像是一双无形的手，

但是研究认为，洋中脊的推力比俯冲板片自身下沉的拖曳力，小一个数量级。

这个下沉的拖曳力就是重力，其本质是密度差异所致。

Part.3

清者浮而浊者凝—密度差异

《三国演义》中，秦毖问东吴派来的张温：

“先生东吴名士，既以天事下问，必能深明天之理。……轻清者上浮而为天，重浊者下凝而为地……天既轻清而上浮，何以倾其西北乎？又未知轻清之外，还是何物？愿先生教我。” 张温不能答之。

可惜吴使张温没有学过地质学，不然可以与秦宓科普一下为何会“天倾西北，地陷东南”。

其中说到“轻清者上浮而为天，重浊者下凝而为地”，是道家天地观的基本原理，从混沌，到清浊辨。其实就是阿基米德的浮力原理，受密度差异决定。

一个杯子，底部盛油，油上倒水，不多时，油必上浮而置于水上。

反之，也可以理解为，水下沉于油下，这就是密度反转——也被称为瑞利-泰勒不稳定，很简单易懂的原理。瑞利后来获得1904年诺贝尔物理学奖（凭借气体密度研究和Ar的发现获奖）。

Rayleigh and Taylor 1883，只节选了其中几页

例如地质学中的许多现象都可以用这个原理解释，例如底辟作用。

岩浆可以底辟、盐可以底辟、深部的岩石混合体可以底辟、100km深的超高压固态岩石可以底辟至地表。

这些都是密度差异，产生浮力所致。

左-中图来源：Fossen，2016；右图来源：Marschall，2012

反过来，相对密度大的重物下沉，进入相对密度小的物质，地质学中称之为“负浮力”。

说白了就是下沉。

可见，搞学术往往就是，将常识性的道理概念化。

板片陷落，下沉于地幔，通常就是负浮力作用。

假设一个相对封闭的体系内，在软泥上洒下一些小石子，在重力作用下，石子将逐渐陷入软泥之中。

同样，如果大洋岩石圈密度大于其下方的一部分地幔，洋壳就可以像石子陷入软泥一样沉入下方地幔。

那么问题来了，大洋岩石圈的密度，较之地幔如何呢？

其实，大洋岩石圈，尤其是古老的大洋岩石圈，其密度略大于其下方的地幔（至少大于其下方100km深的地幔）。

大洋岩石圈年龄与其厚度相关，越老越厚，整体温度越低，平均密度越高，这个应该不难理解。

进而会对大洋俯冲过程产生两个方面的影响：

（1）密度相对较高的大洋岩石圈，在洋-陆转换带产生重力不稳定现象，大洋俯冲启动；

（2）俯冲启动后，进入俯冲带的板片，密度越高，其重力拖曳的板片拉力越大，越容易向幔深处俯冲。

数字模拟研究发现，其他因素不变，增加洋壳的年龄，在相同深度处，初始大洋岩石圈年龄越大的俯冲板片的总体密度也越大，进而产生的板片拉力也就越大，俯冲板块的俯冲角度也越大。

皇甫鹏鹏，2016 （1Ma=100万年）

此外，若要让大洋岩石圈沉入下部地幔，还需满足一个条件，那就是下方地幔的黏度必须要低。

就像石子的密度虽然比塑料大，但是石子难以沉入塑料。

如果加热塑料，使其软化，也就是减小塑料的黏度，石子就可以沉入塑料中。

同样，深部较热的地幔，黏度比较低，洋壳便可以沉入一部分深度的地幔中去。

除了上述大洋岩石圈变老导致岩石圈密度增大的情况，

还有一种非常重要的变化是——岩石相变，也会导致岩石密度出现。

Part.4

变形记——岩石相变

卡夫卡的代表作：变形记，英译名为：The metamorphosis。

地质学中，变质的英文是metamorphic。

小说主角格里高尔，一早醒来，发现自己变成一只大甲虫。

从人变成甲虫，显然不是变形（形状改变）那么简单，连物种都变了，这是“变质”，是相变—phase transition。

岩石俯冲至一定深度，在较高的温度和压力下，不仅仅会因变形的积累而发生流动。

还会发生矿物相变，即发生变质作用。例如从玄武岩转变成榴辉岩。

这个过程，是固态到固态的相变，会发生岩石密度的显著增加。

这种物质转换的化学相变过程，也是物理机械运动的驱动机制，而榴辉岩相变的驱动机制，被称为榴辉岩引擎（eclogite engine）。

地壳和地幔的密度与剪切波速分层性(a)和榴辉岩化拆沉旋回的地球系统驱动力机制(b)(据 李三忠，2019修改自Anderson, 2007)

进入地幔后的榴辉岩并非都能一直下沉，大部分情况下，

在410km以深，榴辉岩的密度小于周围地幔的密度，因此会在此410km深处堆积、聚集，410km深处。

当然有例外的情况，在热量变化、矿物相变等因素下，有些俯冲物质可以继续下沉至660km深处。

410-660km深度之间的地幔，许多俯冲物质会在此聚集，也被称为地幔过渡带。

混合地幔对流模式图 | 李江海，2019修改自 Chen Jiuhua，2016; Tackley，2008

甚至，个别俯冲物质能直抵地幔和地核的边界。

以上，就是俯冲物质的命运。

地震层析成像揭示的过渡带俯冲板片几何形态特征 | 李江海，2019修改自 Goes，2017

除了相变增加岩石密度，还有一种，就是部分熔融的抽离作用，导致残余体密度增加。

岩石受热，有些矿物的熔点低，先熔化成为液态，在浮力、或是构造应力所产生的渗流作用下，这些先熔出来的液体发生迁移。

渗流作用可以理解为用手挤压富水海绵，流出来的水就是渗流作用所致。剩下的，熔点高的矿物仍为固体，我们称之为残余体，这些残余体的密度更大，就会导致残余下来的岩石密度增加。

岩石发生部分熔融，熔体（Melt，黄色）逐渐被抽离，剩下残余体（灰色） | Olivier Vanderhaeghe，2009

部分熔融岩石随着熔体组分增加的密度变化图 | Olivier Vanderhaeghe，2009

类似于大米和沙子混合体的总密度，小于纯沙子的密度。

再多说几句，除了大洋岩石圈会沉入地幔，经历岩石相变的榴辉岩相、或是熔体抽离后残余的大陆岩石圈下部，也会发生拆离，沉入地幔中去，这个作用叫做“拆沉作用”。

例如，华北克拉通破坏，有一种主流观点就是岩石圈底部的拆沉作用。

陈凌，2020；Hu，2018

总之，岩石相变和部分熔融残余，会导致大洋岩石圈密度进一步增加，这是大洋岩石圈的“变形记”。

这样，相对密度大的大洋岩石圈，在较大的时间尺度下，就可以在“负浮力”的作用下，沉入黏度和密度相对较低的部分深度地幔中去。

本文参考文献见图名注释

以上均为个人理解和学习体会，贻笑大方。

本文来源于知乎答主@青铜马弓手对《地幔是固态的，那大洋地壳是怎么俯冲进去的？》的回答

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