研究表明大陆断裂会引起深层地球波 带来悬崖和高原等地形特征

非洲南部莱索托高原，位于大悬崖的中央高原上。图片来源：南安普顿大学汤姆-格农教授

南部非洲的德拉肯斯堡悬崖。图片来源：GFZ 波茨坦 Jean Braun 教授

这些发现有助于解开一个由来已久的谜团，即塑造和连接地球上一些最壮观地貌的动态力量--被称为 "悬崖 "和 "高原 "的广阔地形特征，对气候和生物产生了深远的影响。

"长期以来，科学家们一直怀疑，当大陆发生断裂并最终四分五裂时，就会形成数公里高的陡峭地形，这种地形被称为大悬崖（如环绕南非的经典地形）。然而，要解释为什么远离这些悬崖的大陆内部会隆起并受到侵蚀，却要困难得多。这个过程是否与这些高耸的悬崖的形成有关？简而言之，我们不知道。"领衔作者、南安普顿大学地球科学教授汤姆-格农（Tom Gernon）说。

南部非洲的德拉肯斯堡悬崖

大陆稳定部分（称为板块）的垂直运动仍然是板块构造中最不为人所知的方面之一。南安普顿大学的 Thea Hincks 博士、Derek Keir 博士和 Alice Cunningham 等团队与波茨坦亥姆霍兹中心--GFZ 德国地球科学研究中心和伯明翰大学的同事合作，共同解决了这一基本问题。

他们的研究结果有助于解释为什么以前被认为是"稳定"的大陆部分地区会经历大幅度的隆起和侵蚀，以及这些过程如何向内陆迁移数百甚至数千公里，形成被称为高原的广阔高地，如南非的中央高原。

南部非洲的德拉肯斯堡悬崖。图片来源：GFZ 波茨坦 Jean Braun 教授

大陆隆起和侵蚀建模

在去年发表于《自然》（Nature）杂志的关于钻石喷发与大陆断裂之间联系的研究基础上，研究小组利用先进的计算机模型和统计方法，研究了地球表面是如何随着时间的推移对大陆板块的断裂做出反应的。他们发现，当大陆分裂时，大陆地壳的拉伸会引起地幔（地壳和地核之间的体积层）的搅动运动。

GFZ 波茨坦分部地球动力学建模科负责人萨沙-布鲁内（Sascha Brune）教授说："这一过程可以比作向大陆移动并扰动其深层地基的横扫运动"。

来自哨兵中枢地球观测浏览器的大悬崖卫星图像。使用哨兵-2 L1C 数据集拍摄于 2020 年 5 月。图片来源：南安普顿大学汤姆-格农（Tom Gernon）教授

同在波茨坦工作的布鲁内教授和安妮-格勒姆博士进行了模拟实验，研究这一过程是如何展开的。研究小组注意到一个有趣的现象：在他们的模拟中，地幔"波"在大陆下移动的速度与古代冈瓦纳超级大陆解体后横扫南部非洲地貌的重大侵蚀事件的速度非常吻合。

科学家拼凑证据后提出，大断崖起源于古代裂谷的边缘，就像今天在东非大裂谷边缘看到的陡壁一样。同时，断裂事件还引发了"深地幔波"，以每百万年约 15-20 公里的速度沿着非洲大陆的底部传播。他们认为，这种波对流地带走了大陆根部的岩石层。

布鲁内教授说："就像热气球减重升高一样，大陆物质的流失也会导致大陆上升--这个过程被称为等压。"

来自哨兵中枢地球观测浏览器的大悬崖（莱索托高原东部）卫星图像。使用哨兵-2 L1C 数据集拍摄于 2022 年 5 月。相对于被大悬崖分隔开来的低地，积雪使高原地区显得更加突出。图片来源：南安普顿大学汤姆-格农（Tom Gernon）教授

在此基础上，研究小组模拟了地貌如何对这种地幔驱动的隆起做出反应。他们发现，迁移的地幔不稳定性引发了持续数千万年的地表侵蚀浪潮，并以类似的速度横跨整个大陆。这种强烈的侵蚀带走了巨大的岩石重量，导致地表进一步上升，形成高原。

"我们的地貌演化模型显示了与断裂有关的一系列事件是如何在几千米的岩石层被侵蚀掉的情况下，形成悬崖峭壁以及稳定、平坦的高原的，"GFZ 波茨坦地球表面过程建模教授让-布劳恩（Jean Braun）解释说，他也是波茨坦大学的教授。

研究小组的研究为远离大陆边缘的火山口令人费解的垂直运动提供了新的解释，在大陆边缘，隆起更为常见。

伯明翰大学地球系统副教授史蒂夫-琼斯（Steve Jones）博士补充说："我们这里有一个令人信服的论据，即在某些情况下，断裂可以直接产生长寿命的大陆尺度上地幔对流单元，这些由断裂引发的对流系统对地球表面的地形、侵蚀、沉积和自然资源的分布有着深远的影响。"

结论和未来方向

研究小组得出的结论是，引发钻石从地球内部深处迅速升起的一连串地幔扰动也从根本上塑造了大陆地貌，影响了从区域气候和生物多样性到人类定居模式等一系列因素。

格农教授获得了由大休斯顿社区基金会管理的伍德尼克斯基金会提供的一笔重要慈善基金，用于研究全球变冷问题。他解释说，大陆解体不仅扰动了地球深层，而且会影响到以前被认为是稳定的大陆表面。

他总结说："大陆核心的不稳定也一定对古代气候产生了影响。"

编译自/ScitechDaily