地球的地幔和地殼，正處於一場激烈的超級大陸「死亡之戰」中！

2020-10-18 博科園

地球熱而粘稠的中心及其冰冷堅硬的外殼都是構造板塊爬行（有時是災難性的）運動的原因。但現在新研究揭示了一種耐人尋味的力量平衡，滲出的地幔創造了超級大陸，而地殼將它們撕裂開來。為了得出這個關於板塊構造過程的結論，科學家們創建了一個新的地球計算機模型，將地殼和地幔視為一個無縫系統。隨著時間推移，這個虛擬行星表面大約60%的構造運動是由相當淺的力量驅動，即在表面的前62英裡(100公裡)內，地幔的深層攪動對流推動了其餘活動。

當大陸被推到一起形成超級大陸時，地幔變得特別重要，而當超級大陸在模型中分裂時，淺層力佔主導地位。科學家們在《科學進展》期刊上發表的這個「虛擬地球」是第一個將地殼和地幔「視為」一個相互連接的動態系統計算機模型。在此之前，研究人員會在地幔中製作熱驅動對流的模型，這些模型與真實地幔觀測結果相當吻合，但並不模擬地殼。而地殼中板塊構造的模型，可以預測這些板塊如何運動的真實世界觀測，但不能很好地與地幔的觀測相吻合。

顯然，模型將兩個系統組合在一起的方式中缺少了一些東西。巴黎PSL大學的Ecole Normal Supérieure研究生院教授尼古拉斯·科爾蒂斯說：對流模型對地幔有好處，但對板塊沒有好處，板塊構造對板塊有好處，但對地幔沒有好處，整個系統演變背後的故事就是兩者之間的反饋。從小學使用的地球內部模型，都顯示出一層薄薄的地殼覆蓋在熱的、可變形的地幔層之上。這個簡化模型可能給人的印象是，地殼只是在地幔上衝浪，被下面無法解釋的洋流這樣那樣地移動著。

地殼和地幔

但這並不完全正確，地球科學家早就知道地殼和地幔是同一個系統的一部分，它們逃不掉地聯繫在一起。這一認識提出了這樣一個問題，即究竟是表面的力：例如一塊地殼俯衝到另一塊地殼之下，還是地幔深處的力：是構成地殼板塊運動的主要驅動力？研究發現，答案是這個問題是不適定的，這是因為這兩層是如此的交織在一起，它們都做出了貢獻。在過去的20年裡，科學家們一直致力於建立計算機模型來真實地模擬地殼和地幔之間的相互作用。

在21世紀初，一些科學家開發了地幔熱驅動運動(對流)的模型，這些模型自然地產生了一些看起來像是地錶板塊構造的東西。但這些模型是勞動密集型的，沒有得到很多後續工作。現在科爾蒂斯和同事花了八年時間研究了這個新模型，僅僅運行模擬就花了9個月。研究團隊必須首先創建一個模擬地球，完成真實參數：從熱流到構造板塊的大小，再到超級大陸形成和解體通常需要的時間長度，在很多方面，這個模型並不是對地球的完美模擬。

建立地球模型

例如，該程序不會跟蹤以前的巖石變形，因此以前變形過的巖石將來在其模型中不會更容易變形，就像真實情況一樣。但該模型仍然產生了一個看起來逼真的模擬地球，包括俯衝帶、大陸漂移和大洋海脊和海溝。研究發現，除了表明當大陸匯聚在一起時地幔力佔主導地位外，被稱為地幔柱的熱巖漿柱並不是大陸分裂的主要原因。俯衝帶是大陸分裂的驅動力，其中一塊地殼被壓在另一塊地殼之下，地幔柱隨後發揮作用。

上升羽流可能到達被俯衝帶產生的力削弱的地表巖石。然後，悄悄進入這些較弱的地方，使超級大陸更有可能在該位置裂開。研究人員表示：下一步是用觀察搭建模型和現實世界的橋梁，在未來，這個模型可以用來探索從主要火山活動事件到板塊邊界如何形成，再到地幔如何圍繞地球自轉的一切。

博科園｜文：Stephanie Pappas/Live Science

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aax4295

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