最新研究得出有關地球板塊構造形成機理的新結論

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2020年7月17日，由中國香港大學研究人員領銜的國際研究團隊宣布成功利用新模型獲得了有關地球板塊構造形成機理的新結論，該研究成果發表於同期出版的Nature Communications。

板塊構造理論創建50年以來，很好地解釋了固體地球的活動——例如，爪哇的火山，日本的地震等等。該理論假設地球的外殼即地球「巖石圈」被細分為彼此相對運動的板塊，地殼大部分活動均集中在板塊之間的邊界上。然而，迄今為止，科學界對板塊構造是如何開始的還沒有明確的概念。香港大學研究團隊基於最新模擬研究提出，早期的地球外殼升溫，導致膨脹，產生裂縫。這些裂縫逐漸擴大並結合成一個全球網絡，從而將早期的地球外殼細分為板塊。

研究人員利用三維球殼模型模擬了一種自組織斷裂機制，類似於熱膨脹驅動的巖石圈隆升，在這種機制中，由於水平伸展而發生了全球性的斷裂作用。總裂縫間距是巖石圈厚度和流變學的函數，其中幾何規則的多邊形曲面細分是一種積極的解決方案，因為它使總裂縫長度最小化。因此，正如先前的研究所預測的那樣，早期巖石圈本身的升溫為地殼破裂、裂隙擴張以及板塊構造體系的最終形成提供了所需條件。

該研究所得出的上述熱膨脹導致地殼破裂進而形成板塊構造的觀點與地球科學的基本物理規則形成鮮明對比。研究人員對此的解釋是，一切都取決於地球早期的主要熱損失機制——火山作用。火山作用會對地球外殼產生意想不到的降溫作用。這是因為從地球深處獲取的新的高溫火山物質會成為低溫物質沉積在地表，其熱量會流失到太空中。在深度上的疏散和在表面上的堆積最終會導致表面低溫物質下沉。表面冷物質的這種持續向下運動對早期巖石圈產生了冷卻作用。因為地球整體上在變冷，熱量的產生和相應的火山活動會減慢。相應地，巖石圈的向下運動會隨著時間的推移而減慢，因此，即使整個地球變冷了，冰冷的巖石圈也會通過下面的深部熱物質傳導而逐漸變暖。這種變暖可能是新模型中所引入的熱膨脹的來源。新的模型表明，如果地球固體巖石圈的熱膨脹足夠大，它就會破裂，而裂縫網絡的迅速增長最終將把地球巖石圈分成板塊。

該研究為最終揭開地球及行星科學最大謎題之一「地球是如何以及為什麼從一個熔融球體轉變為板塊構造體系」提供了新的線索和思路。

參考文獻

• [1] A new idea on how Earth&39;s shell into a global plate network. Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-17480-2

轉載本文請註明來源及作者：中國科學院蘭州文獻情報中心《地球科學動態監測快報》2020年第15期，張樹良 編譯。