非洲大陆可能正在分裂——但地质学家无法达成共识

在阿法尔洼地——埃塞俄比亚东北部一片广阔的沙漠中——游牧部落在一个充满蒸汽口、沸腾的间歇泉甚至熔岩湖的奇异景观中生存。但在2005年9月的一天，阿法尔牧民目睹了一个他们从未见过的景象。

在接下来的两周里，数百次地震席卷了该地区，第一次地震使他们脚下的地面剧烈颤抖。地壳上出现了一条巨大的裂缝——近40英里长，25英尺宽。第二次火山喷发产生的火山灰云遮蔽了天空数日。恐慌的游牧民族认为，这是真主惩罚他们没有严格遵守宗教规矩。

真相同样戏剧性。数百万年来，一个由炙热的、可能是熔融的岩石组成的气泡一直在地表下方缓慢膨胀，加热地壳并使其拉伸和开裂。

地质学家对这个故事很熟悉。两亿多年前，恐龙漫游地球时，地球各大洲连成一块巨大的陆地，名为盘古大陆。随着时间的推移，在这块强大的超大陆内部出现了深层裂谷，导致它分裂，最终形成了七个新大陆——这个数字可能还在增长。

不安的迹象表明，阿法尔地区可能成为现代人类进化以来第一次大陆分裂的地点。2005年那天的数据表明，在未来1000万年内，随着非洲大陆的分裂，地球上最热、最干燥的沙漠之一将诞生一片新的小海洋。

但关于如此剧烈的裂谷可能如何发展的传统观念可能是错误的。最近的结果在著名期刊上发表了意想不到的发现，表明裂谷已偏离预期。这一发现最终可能有助于科学家理解为什么有些裂谷能成功地将大陆劈开，而另一些则失败，让大陆从创伤中恢复。整个非洲大陆——更不用说大陆裂谷的教科书定义——都岌岌可危。

滑动的非洲大陆

肩负着非洲未来部分重任的蒙大拿大学地球科学研究生艾伦·纳普，将一个40磅重的行李袋扔进厚厚的黄草和高高的绿草丛中。几个小时前，这片土地还 покры着露水——这是赤道冬季唯一的印记。现在是1月，我们就在埃塞俄比亚西北部小镇德巴克外，收集纳普在全国各地设置的九个仪器之一的数据。她聚精会神地蹲在一块藏在太阳能电池板后面的大白盒子旁，没有注意到一位武装的埃塞俄比亚卫兵好奇地远远地看着她，也没有注意到年轻的学生们飞奔到附近的木栅栏旁，带着灿烂的笑容观看。

相反，她的心思全在大白盒子里。前一年，离纳普约10英尺远的GPS天线每30秒向卫星发送一次信号，以确定它在地球表面的精确位置。该点的任何移动都将帮助地质学家准确确定东非地壳的拉伸情况。天线将这些信息发送到接收器——盒子里的仪器——存储数据。如果一切正常，一个小绿灯会亮起，纳普急切地想看到它。

她拉开门，松了口气，然后给我竖起了大拇指。纳普一屁股坐在尘土飞扬的地上，把她长长的栗色头发扎成一个松散的马尾辫，开始将存储的数据传输到她的笔记本电脑上。她渴望看到，有了额外一年的最新数据，这个裂谷的故事将如何在数百万年的困惑中演变。

该地区最早的地质活动可追溯到3000万年前，当时阿拉伯半岛与非洲大陆相连。随后，该地区开始向上隆起，因为一个地幔柱——一个巨大的炽热岩石团块，像熔岩灯中的球体一样从地球内部向上涌出——向地表推进。地面随着膨胀而绷紧，并出现了几道裂缝，有点像刚出炉的蛋糕顶部的裂缝。

熔融岩石从这些新形成的裂缝中涌出地表，形成了薄薄的冷却岩浆或玄武岩薄片——这种岩石密度如此之大，以至于地壳不断下沉，直到这个新山谷在宽度和深度上都变宽，最终下沉到海平面以下。然后，印度洋的海水涌入，该地区诞生了亚丁湾和红海，将阿拉伯板块和努比亚板块分离。但这场戏剧才刚刚开始。

大约在1000万到2000万年后，同样的地幔柱逐渐形成了第二个山谷，几乎垂直于前一个。这个被称为东非大裂谷系统的洼地始于埃塞俄比亚，并向南缓慢延伸了近4000英里，直至莫桑比克，再次将非洲板块分为两大块：努比亚板块，它横跨非洲大部分地区和大西洋的赤道；索马里板块，它横跨埃塞俄比亚东部、索马里、肯尼亚东部、坦桑尼亚东部和印度洋的赤道。

所有这一切的核心是阿法尔地区，它位于三个构造板块的交汇处，每个板块都以不同的速度缓慢地相互滑离。如果将努比亚板块保持静止，阿拉伯板块似乎以每年0.8英寸的速度向东北方加速移动——大约是你脚趾甲生长的速度。这导致阿法尔地区向东北方扩张，但随着索马里板块以每年0.2英寸的速度类似地向澳大利亚方向缓慢移动，该沙漠也向东南方移动。

更复杂的是，索马里板块并非一次性以相同的速度在整个裂谷中与努比亚板块分离。相反，东非大裂谷系统就像一个缓慢拉开的拉链。大致来说，它在北部最古老、最宽，越往南越年轻、越窄，形成了一个在东非任何卫星图像中都清晰可见的龙卷风形山谷。因此，研究裂谷中较老、较深的部分，即“埃塞俄比亚主裂谷”——一个分裂最完整的地方——应该有助于地质学家了解大陆分裂的最后阶段，以及与之相关的危害。因此，在过去的三年里，纳普一直在埃塞俄比亚度过冬天，为这份记录增添数据。“这确实是唯一一个可以观察到这种现象的天然实验室，”她说，“地球上没有其他地方可以让你看到一个大陆被分成两部分。”

裂谷的形成方式

然而，大陆的分裂可能不会像地质学家预期的那样进行。麻省理工学院地球物理学家迈克尔·弗洛伊德说，科学家们一直认为拉伸大陆板块就像缓慢地拉开一块冷奶酪。“你能感觉到它在你的手中弹性拉伸，但过了一会儿，它的‘盔甲’上会有一个小裂口——一个小的裂缝形成，”他说。而在那个时候，你所产生的应力不再分散到整块奶酪上，而是集中在那个薄弱点——裂缝处——使其扩大并形成一道深沟。

2005年阿法尔地区发生的事情就是如此。一个炽热的地壳点位让位，导致裂谷突然裂开达26英尺——利兹大学地球物理学家蒂姆·赖特称之为“好莱坞式的地质现象”。那道裂缝，相当于400年的正常板块运动，在几天内撕裂，造成了让游牧民族恐惧的破坏。裂缝还充满了约6600亿加仑的熔融岩石——相当于地球上每人一吨岩石——而且这并非唯一的一道裂缝。在接下来的五年里，熔融岩石注入了附近13道裂缝，这只是一个3000万年来一直努力拉伸的山谷中最新一轮的伤疤。

现在，由于2005年那样的事件，阿法尔地区充满了垂直的玄武岩板，其密度已使地壳下降到海平面以下300多英尺。这使地壳变薄并进一步削弱，使得地幔柱能够继续侵蚀它。科学家们曾认为，在一个自我强化的循环中，任何进一步的扩张都应该发生在最初的薄弱点：裂谷内部。

自20世纪60年代板块构造学诞生以来，一直都是这种想法。但随着2005年东非第一个天然实验室的裂开，纳普在蒙大拿大学的博士导师丽贝卡·本迪克决定重新验证这一理论。2011年，她将目光（和她的仪器）投向了一个以前无人关注的区域：裂谷之外。

那一年，本迪克和她的同事们安装了11台GPS仪器，从苏丹一直延伸到索马里。如果她发现埃塞俄比亚其他地区也在拉伸，那将推翻一代理论模型，并颠覆地质学对裂谷如何最终将盘古大陆（和以前的超大陆）撕裂的理解。目前，最初几年的数据已经显示，拉伸可能不限于裂谷内部——科学家们渴望获得更多数据。

于是，纳普在冬季从60多英里外、非洲邻近地区研究裂谷。2017年1月，我陪她一起，我们花了四天时间穿越埃塞俄比亚高地，这片土地从耕种的田地变成了布满深玄武岩峡谷的草地沼泽。这是一个不断运动的世界。男人们将画眉草（埃塞俄比亚和厄立特里亚特有的一种谷物）抛向空中收割，女人们头顶货物篮子往返于城镇，男孩子们在路上放牧动物。大多数时候，我们从一个仪器开到下一个，透过窗户欣赏风景是一场视觉盛宴。

“有些地方就是会偷走你的心，”纳普坐在满是灰尘的陆地巡洋舰里，看着乡村和人们从眼前掠过时说道，“就像第一次生活在色彩中一样——这是我能描述给别人的唯一方式。”

科学分歧

纳普路线上的所有仪器都完好无损，除了一个。它们将为本迪克日益增长的研究再添一年的数据，表明裂谷并未按计划进行。任何教科书都会指出，一个成熟的裂谷，就像埃塞俄比亚的那段，将是该地区100%延伸的地点。但本迪克2016年发表在《地球物理研究快报》上的最新论文显示，情况并非如此。高达20%的延伸发生在裂谷之外，深入埃塞俄比亚高地。东非那块“奶酪状”的地壳似乎在不应该拉伸的地方拉伸。问题是为什么。

弗吉尼亚理工大学地质学家D. 莎拉·斯坦普斯认为重力是部分原因。埃塞俄比亚高地——有时被称为“非洲屋脊”——海拔可高达近15,000英尺。但它们无法摆脱重力的拉扯。“如果你有一个球形的腻子球，把它放在一个平面上，随着时间的推移它会变平，”斯坦普斯说。这种变平现象可以在世界各地的山脉中看到，从安第斯山脉到青藏高原，这可以解释为什么裂谷之外也存在一些延伸。

鉴于第二个令人惊讶的发现，这一理论尤其可能。本迪克首次部署GPS仪器大约一年后，康奈尔大学地球物理学家凯蒂·科拉南在埃塞俄比亚40个旋转站点安装了35台地震仪。这些仪器记录微小的地面运动，使科学家能够探测局部甚至遥远的地震，从而绘制地壳下方炽热、密度较小的半熔融岩石区域。

科拉南没想到在裂谷之外会看到太多热量——和本迪克一样，她只是在重新验证既定理论。之前的研究已经确定了阿法尔洼地下方存在一个地幔柱，科学家们大多预计远离裂谷的陆地会很冷。但科拉南却发现了恰恰相反：她怀疑这些是裂谷主地幔柱在埃塞俄比亚高地下方形成的多个微小热点。非洲“奶酪状”的地壳不仅在不应该拉伸的地方拉伸，而且还在不应该发热的地方发热。

额外的热量可能会帮助重力。想想那个球形橡皮泥球：如果你把它加热，它会更容易下垂和变平。尽管如此，科学家们还不能确定埃塞俄比亚高地的拉伸主要是由于重力还是热量。他们也无法确定这种额外的炽热和拉伸是否真的是裂谷最终破裂的典型特征。“也许这是标准模型，而我们在过去50年左右的时间里都弄错了标准模型，”本迪克说。无论如何，很明显，裂谷已经偏离了任何现代教科书中揭示的模式。

这可能会影响为什么有些裂谷成功而另一些失败——这是地质学中的一个悬而未决的问题。大约11亿年前，一个类似的裂谷从苏必利尔湖延伸到堪萨斯州，长达1000多英里，威胁要将北美一分为二。然后，由于未知的原因，裂谷失败了，北美洲得以保持完整。“如果步骤的顺序比简单模型所暗示的要复杂得多，那么裂谷就有很大的机会失败，”本迪克说。“一个过程中的步骤越多，出错的地方就越多。”

或许，额外的热量是裂谷最终失败的原因。科拉南认为，埃塞俄比亚高地下方的热量口袋可能会阻碍裂谷最终成功，她对此并不感到惊讶。“事实上，它有这么多热而可能脆弱的‘指状’分支，这意味着当你从两侧拉扯它时，你会将应变分散开来，它就更不可能真正断裂，”她说。回想一下那块奶酪。如果应变没有局限于裂缝内，而是分布在奶酪的更大部分，那么奶酪会拉伸更长时间才会断裂——如果它真的会断裂的话。这可能指出裂谷失败的另一种方式。

然而，科拉南认为科学家还无法预测东非的未来。“因为我们观察的时间段如此短暂，很难知道埃塞俄比亚会发生什么，”她说。一些地球物理学家，比如麻省理工学院的弗洛伊德，确信最终结果将与科学家最初预测的一样，无论过程多么偏离正常。“毫无疑问，我们看到裂谷本身有大量的延伸，并将继续如此，”他说，“红海确实会开始向南淹没阿法尔三角地区，并最终进入埃塞俄比亚主裂谷——虽然还需要几百万年，但这几乎肯定会发生。”

弗洛伊德的观点强调了裂谷北部已经发生了多大的变化。阿法尔地区布满了充满冷却熔融岩石的裂缝和火山，这些火山已经向周围的地壳倾泻了数千万年的岩浆。如此多的活动意味着地壳几乎完全是玄武岩——这是大洋地壳的特征，而不是大陆地壳，本迪克说。“唯一缺少的就是水涌入，”她说，“它几乎已经是一个海洋了。”

地球的起伏

当纳普和我完成旅程的最后一站时，我们站在埃塞俄比亚高地的一处悬崖边缘，凝视着眼前似乎正在变化的景象。不仅太阳在天空中逐渐西沉，将影子投射在崎岖的地形上，而且地形本身也分裂了。我们面前是高地肥沃的农田，但再往前，世界就陷入了裂谷。

我们站在一块75英里厚的地壳上，却能看到阿法尔洼地，那里不到20英里厚的地壳将奇异的地表与地幔分隔开来。我第一次感觉自己真正站在非洲的屋脊上。

很容易理解为什么这项工作偷走了纳普的心。她在东非的研究在理解危险可能在哪里方面发挥着关键作用——她最新的研究表明，危险并非仅限于阿法尔地区。埃塞俄比亚高地的拉伸和炙热意味着它们也可能面临更高的地质灾害风险，例如曾蹂躏阿法尔地区的地震、火山喷发和地热喷发。

尽管存在危险，多年来，不同学科的科学家们纷纷涌向裂谷，冒着身体和政治上的危险。（我们去那里时，埃塞俄比亚正处于紧急状态，此前数百人在政府抗议中丧生。）亲眼目睹一个大陆分裂成两半的机遇，完全值得冒这个风险。地质学通常不会实时发生。更多时候，地质学家们会挖掘沉积层，对数千年前发生的事件感到兴奋。这个学科往往使人类的寿命显得微不足道。

裂谷是一个例外。“这不像你在看静止的东西，”纳普说，“它仍然非常活跃。”我们脚下的地球自恐龙时代之前就已经开始变化，而且它还没有结束。