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地幔推动我们前进

了解大陆漂移是如何由地幔对流驱动的,挑战了经典板块构造理论的解释。

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大陆似乎就像岩石大海中的船只,漂浮在地壳下方数百英里深的洋流上。

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我们都在漂流,我们脚下的地面在不断地、尽管不易察觉地运动。地球地壳的巨大板块在部分熔融的地幔上滑动,一端被俯冲带中下沉到地幔的板块拉动,另一端被中洋脊涌出的新地壳推挤。无论如何,这就是经典的板块构造理论,它对海洋地壳来说运行良好。但它从未完全解释过大陆的运动,大陆比海洋板块更厚,更深入地幔。地质学家、华盛顿卡内基学会的地质物理学家大卫·詹姆斯说,下沉板块的拉力以及新地壳涌出的推力似乎不足以驱动大陆漂移。板块拉力被认为是最大的力,而洋脊推力似乎太小,不足以推动大陆那么大的物体。此外,詹姆斯说,就北美和南美而言,根本没有板块拉力;这些板块并没有发生俯冲。

现在,詹姆斯和他的卡内基同事约翰·范德卡尔,以及巴西圣保罗大学的马塞洛·阿松桑声称找到了驱动大陆运动的动力学的一个重要线索。他们说,大陆并非像骑在下面的地幔上,而是随地幔漂移,沿着延伸至300英里深处的岩石对流而动。

研究人员使用了一个地震仪网络来研究巴拉那盆地下方的地幔,这是一个位于巴西东南部火山玄武岩的区域。三年来,地震仪记录了世界各地数百次地震的地震波在地幔中是如何反弹的。通过测量地震波的传播时间——这会随岩石的温度和成分而变化——研究人员可以创建该地幔部分的 üç boyutlu 图像。

在巴拉那正下方,研究人员发现了一个200英里宽、375英里深的岩石圆柱体,它比周围的地幔更热,成分也不同。他们由此推断,这是形成该省的岩浆柱的残余,它从地幔深处升起,在地表覆盖了近80万平方英里的熔岩。但这些喷发发生在1.35亿至1.25亿年前,自那时以来,大陆应该已经从固定的地幔热点漂移走了。事实上,形成巴拉那的热点现在肯定位于大西洋中部,那里最新的创造物是特里斯坦-达库尼亚岛。

詹姆斯说,在过去的1.25亿年里,南美大陆以每年约1.4英寸的速度远离特里斯坦-达库尼亚热点。这意味着,如果大陆真的独立于其下方的地幔移动,那么最初从巴拉那下方升起的岩浆柱通道应该已经被抛在了2500英里之外。今天巴拉那下的残余表明恰恰相反:岩浆柱的顶部——以及地幔——与南美洲一起移动。詹姆斯说,整个上地幔,至少向下延伸到300英里,甚至可能更深,都在随大陆一起移动。

这个想法并非新颖。地球物理学家长期以来一直对一些大陆拥有深邃且可能古老的、相对较冷的岩石“龙骨”的证据感到困惑。与巴拉那岩浆柱一样,这些龙骨延伸到上地幔数百英里深处,位于大陆根据标准板块构造理论应该在其上滑动的、部分熔融的层下方。这使得人们很难理解龙骨如何能不被撕裂。二十年前,卡内基学会的塞伦·萨克斯提出了一种解决方案:大陆地壳可能不是在地上滑动,而是与地幔耦合在一起,龙骨将两者连接在一起。上地幔的流动会通过推挤龙骨来部分推动大陆。

巴拉那下的这个化石岩浆柱是萨克斯是正确的有力证据。詹姆斯说:“我们很多人很长一段时间以来都认为,大陆运动与大规模的地幔流动确实存在联系,但这是我们第一次获得任何确凿的证据。”

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