在我們?nèi)粘５闹庇X(jué)中，重力似乎是地球上最恒定、最可靠的力量。然而，現(xiàn)實(shí)卻遠(yuǎn)比直覺(jué)奇妙：地球并非一個(gè)完美的球體，其重力場(chǎng)就像一顆表面凹凸不平的“土豆”。如果在重力較弱的地方稱體重，你甚至?xí)仍谥亓?qiáng)的地方輕上幾克。

目前，從地球動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，地球上最極端的“重力空洞”（Gravity Hole）就潛伏在冰天雪地的南極洲之下。近期，一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》（Scientific Reports）上的突破性研究，利用地震波和超級(jí)計(jì)算機(jī)“倒轉(zhuǎn)時(shí)間”，首次重現(xiàn)了南極重力異常區(qū)在過(guò)去 7,000 萬(wàn)年間的演化史。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了地球深部巖石運(yùn)動(dòng)的歷程，更為我們理解地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)與地表氣候的聯(lián)動(dòng)提供了一個(gè)令人驚嘆的全新視角。

什么是南極重力低點(diǎn)？

地球重力場(chǎng)并非完美球形，而是呈現(xiàn)出“土豆”般的凹凸不平。之所以存在這種差異，是因?yàn)榈厍騼?nèi)部的物質(zhì)分布并不均勻。密度較大、較冷的巖石會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的引力；而密度較小、較熱或具有浮力的地幔物質(zhì)產(chǎn)生的引力則較弱。

圖 | 直觀展示南極的“重力空洞”（來(lái)源：GReD）

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，所謂“重力空洞”并不是地面上有一個(gè)真實(shí)的物理坑洞，也不是指重力在那個(gè)區(qū)域完全消失。它的科學(xué)名稱是南極大地水準(zhǔn)面低谷（Antarctic Geoid Low, AGL）。假設(shè)地球被一個(gè)沒(méi)有風(fēng)浪和洋流的平靜海洋所覆蓋，海水會(huì)純粹在重力的作用下形成起伏的丘陵和山谷，這個(gè)由重力定義的等位面就被稱為“大地水準(zhǔn)面”（Geoid）。

在常見(jiàn)大地測(cè)量參考框架中，若僅考慮自轉(zhuǎn)的靜水橢球體，全球的重力低點(diǎn)位于印度洋；但從地球動(dòng)力學(xué)視角出發(fā)，即在測(cè)量時(shí)扣除地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，南極大陸下方隱藏著地球上最強(qiáng)烈的非靜水壓大地水準(zhǔn)面低谷，特別是羅斯海附近的羅斯海灣（Ross Embayment）。

對(duì)于人類而言，這種差異微乎其微——一個(gè)重 90 公斤的人站在那里，體重只會(huì)減輕約 5 到 6 克。然而，這種微小的引力差異對(duì)海洋的影響卻是巨大的。在重力較弱的南極洲，海水會(huì)向重力更強(qiáng)的區(qū)域流去。因此，據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和模型，南極洲周圍由重力定義的海平面，比全球平均水平竟然低了 120 米。

用地震波給地球做“CT 掃描”

多年來(lái)，科學(xué)家一直通過(guò)衛(wèi)星任務(wù)測(cè)量并繪制地球的重力場(chǎng)，但他們并不清楚南極下方的這個(gè)重力低谷是如何形成的，也不知道它隨著歷史氣候的變遷發(fā)生了怎樣的改變。

為了解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)，美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)（University of Florida）的地球物理學(xué)教授亞歷山德羅·福特（Alessandro Forte）與法國(guó)巴黎地球物理研究所（Paris Institute of Earth Physics）的地球物理學(xué)家佩塔爾·格利索維奇（Petar Gli?ovi?）聯(lián)手開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

他們無(wú)法直接深入地下數(shù)千公里進(jìn)行觀測(cè)，于是借用了穿透地球的自然力量——地震波?！跋胂笠幌拢o整個(gè)地球做一次 CT 掃描，但我們沒(méi)有醫(yī)院里的 X 射線?！备Ｌ亟淌谟靡粋€(gè)形象的比喻解釋道，“我們有地震。地震波提供了照亮這顆行星內(nèi)部的‘光’?！?/p>

當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^(guò)地球內(nèi)部時(shí)，遇到不同溫度和密度的巖石，其傳播速度和方向會(huì)發(fā)生改變。研究團(tuán)隊(duì)利用全球幾十年來(lái)的地震記錄網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了當(dāng)今地球地幔的三維密度模型：GyPSuM 聯(lián)合地震-地球動(dòng)力學(xué)-礦物物理反演模型。結(jié)合物理學(xué)模型，他們成功重構(gòu)了整個(gè)星球的重力地圖。這張計(jì)算出的地圖與當(dāng)今高精度衛(wèi)星捕獲的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”重力數(shù)據(jù)高度吻合，證明了其底層模型的極高準(zhǔn)確性。

倒轉(zhuǎn) 7,000 萬(wàn)年時(shí)光：地幔深處的慢動(dòng)作重塑

在驗(yàn)證了現(xiàn)狀模型后，研究團(tuán)隊(duì)迎來(lái)了真正的挑戰(zhàn)：將時(shí)間撥回遠(yuǎn)古。

借助高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究人員采用了一種名為“物理反向推演”的技術(shù)。基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的地幔對(duì)流建模，他們模擬了從恐龍滅絕至今、覆蓋整個(gè)新生代，歷時(shí) 7,000 萬(wàn)年間地幔巖石的緩慢流動(dòng)和重新排列過(guò)程。該模型不僅將巖石的重量和溫度納入考量，還把地球表面的板塊運(yùn)動(dòng)、地形起伏等海量現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)全部喂給了模型。

為了確保時(shí)間倒流的準(zhǔn)確性，模型引入了獨(dú)立的古地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該模型精準(zhǔn)地再現(xiàn)了大約 5,000 萬(wàn)年前地球自轉(zhuǎn)軸發(fā)生的急劇橫向偏移，即“真極移”（True Polar Wander），這進(jìn)一步證實(shí)了該重力演化模型的可靠性。

最終，“倒放錄像”揭示，南極的重力低谷不是轉(zhuǎn)瞬即逝的異?，F(xiàn)象，而是存在了至少 7,000 萬(wàn)年的持久特征，但又并非一成不變。

圖 | 隨時(shí)間變化的大地水準(zhǔn)面預(yù)測(cè)（來(lái)源：Scientific Reports）

模型顯示，一開(kāi)始，在始新世初（約 6,500 萬(wàn)年前），全球重力低點(diǎn)位于南大西洋（30°S-45°S），且相對(duì)較弱；隨后到 5,000 萬(wàn)~3,000 萬(wàn)年前，重力低點(diǎn)的位置快速遷移至羅斯海灣，同時(shí)幅度顯著增強(qiáng)。

研究人員還在論文中指出，這種增強(qiáng)是由兩種深層地質(zhì)力量相互作用驅(qū)動(dòng)的：一方面是西北南極邊緣下方古老構(gòu)造板塊（冷而致密的俯沖板片）長(zhǎng)期向地幔深處沉降；另一方面，在過(guò)去約 4,000 萬(wàn)年里，來(lái)自最下層地幔的廣泛的、由熱力驅(qū)動(dòng)的浮力物質(zhì)（較熱的巖石）向上涌動(dòng)，特別是在深度約 1,300 公里以上的上地幔區(qū)域，這種浮力的貢獻(xiàn)不斷增加，最終放大了南極重力低谷的強(qiáng)度。

深地動(dòng)力與地表氣候的奇妙共振

最令科學(xué)界興奮的，是地幔深處這場(chǎng)“慢動(dòng)作”巖石翻滾發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。

南極重力低谷急劇增強(qiáng)的時(shí)期（5,000 萬(wàn)至 3,000 萬(wàn)年前），與南極洲氣候系統(tǒng)發(fā)生重大轉(zhuǎn)變的時(shí)期高度重疊。大約在 3,400 萬(wàn)年前，地球經(jīng)歷了持續(xù)的降溫，南極洲開(kāi)始大面積成冰，形成了今天塑造這片大陸的巨大冰蓋。

現(xiàn)在學(xué)界普遍認(rèn)為，南極冰川化是二氧化碳濃度下降、洋流改變和板塊運(yùn)動(dòng)等多種因素共同作用的結(jié)果。雖然這項(xiàng)研究并沒(méi)有直接斷言地幔變化“導(dǎo)致”了冰蓋的生長(zhǎng)，但這種時(shí)間上的重合提出了一個(gè)極具潛力的科學(xué)假設(shè)：隨著南極下方重力低谷的加深，該地區(qū)局部的海平面會(huì)隨之進(jìn)一步下降。這種由重力驅(qū)動(dòng)的海平面和大陸海拔邊界條件的改變，很可能為大型冰蓋的形成和穩(wěn)定提供了有利的物理環(huán)境。

福特教授表示：“如果我們能更好地理解地球內(nèi)部如何塑造重力和海平面，我們就能深入了解那些可能對(duì)大型冰蓋的生長(zhǎng)和穩(wěn)定性至關(guān)重要的因素?！彼瑫r(shí)指出，目前這仍是一種可檢驗(yàn)的假設(shè)，未來(lái)需要進(jìn)一步建模，開(kāi)發(fā)將重力、海平面變化與大陸隆升結(jié)合在同一框架下的耦合模型，以直接測(cè)試深地動(dòng)力學(xué)與冰蓋動(dòng)力學(xué)之間的因果關(guān)系。

南極冰原之下的“重力空洞”，是地球重力場(chǎng)圖上的一塊藍(lán)色斑塊，更是一扇跨越千萬(wàn)年的時(shí)間之窗，讓我們得以窺見(jiàn)腳下數(shù)千公里深處的地幔對(duì)流，如何悄無(wú)聲息地重塑著地表的重力場(chǎng)。我們的氣候與地球內(nèi)部的變化到底存在什么樣的關(guān)聯(lián)？答案或許就隱藏在那些深邃的引力波紋之中。

參考內(nèi)容：

https://www.nature.com/articles/s41598-025-28606-1

https://news.ufl.edu/2026/02/antarctic-gravity-hole/

https://www.sciencealert.com/giant-gravity-anomaly-under-antarctica-is-getting-stronger-scientists-reveal

https://www.sci.news/othersciences/geoscience/antarcticas-gravity-hole-14559.html

https://www.space.com/astronomy/earth/antarcticas-gravity-hole-reveals-the-evolution-of-earths-deep-interior

https://www.discovermagazine.com/antarctica-has-a-massive-gravity-hole-and-it-dates-back-70-million-years-48696

排版：劉雅坤