數百萬年的扭曲與變形

撰文：

Dietmar Müller（悉尼大學地球物理學教授）

Maria Seton（悉尼大學ARC Future Fellow）

Sabin Zahirovic（悉尼大學博士後研究助理）

經典的板塊構造理論是在20世紀60年代發展起來的。它提出，地球的外層是由少數幾個剛性板塊組成的，將這些版塊分隔開來的是一些狹窄的邊界。我們可以將地球表面看作是一個簡易拼圖，它只有9個大的板塊和一堆小小的板塊。

地球的剛性板塊圖，其中的主要構造板塊被標記了出來。黑色線條表示的是狹窄的板塊邊界。這幅地圖是使用的是由作者團隊開發的板快重建軟體Gplate所創建的。| 圖片來源：Maria Seton, 由作者提供。

但是，在板塊構造模型最初創建時，忽略了這些看似剛性的板塊所經歷過的巨大變形。現如今，在板塊構造革命的50多年之後，我們可以非常確定的是，板塊的大陸部分既不是均勻的，也不是剛性的。巨大的力量緩慢地推動著大陸滑過地下粘稠的地幔層，就好似推動餅乾滑過溫暖的太妃糖漿一樣，這股力量給大陸施加壓力，讓地殼扭曲。這是一個已經持續了數百萬年的過程。

在最近的一項研究中，我們與一組國際合作者一起建立了一個計算機模型，目的是為了弄清楚自大約2.5億年前的三疊紀以來，大陸發生了多大程度的變形。在那不久之後，盤古大陸開始分裂，沿著非洲與北美之間的縫隙撕裂。

在本月的《構造學》期刊中，我們發表了一篇論文詳細地闡述了對大陸斷裂的新理解。

巨大的力量

我們已經知道的是，巨大的構造力會沿著板塊間的邊界作用。這一點我們可以在大陸的相互碰撞中觀察到，比如非洲大陸與歐亞大陸的相互碰撞形成了阿爾卑斯山脈；也可以在大陸被撕裂形成盆地時看到，比如發生在東非的那樣。

阿爾卑斯山脈褶皺的海洋沉積物，是由於非洲大陸與歐亞大陸的碰撞而產生的隆起和變形。| 圖片來源：Kurt Stüwe，作者提供

我們的新研究利用了許多地質數據和地球物理數據，確定了所有主要的大陸變形區域，與此同時，我們還使用自己開發的GPlates軟體建立了一個全球板塊運動模型。

結果發現，自盤古大陸的最初分裂以來，至少有1/3的大陸地殼已經發生了巨大的變形，這一面積高達7500萬平方公里，大致相當於北美、南美和非洲面積的總和。

現在的大陸與海洋地圖，圖中標記的是在過去2億5千萬年間經歷了壓縮或擴張的區域。| 圖片來源：Sabin Zahirovic，作者提供

這些發生了變形的大陸區域包括像西蘭大陸（目前94%的西蘭大陸區域已被海水淹沒，只有紐西蘭等島嶼還浮在水面上）這種被拉伸和淹沒的大陸，也包括由碰撞產生的山帶的地殼收縮區域，例如喜馬拉雅山脈、歐洲的阿爾卑斯山脈、伊朗的扎格羅斯山脈和紐西蘭南阿爾卑斯山等等。

在紐西蘭的旺阿帛琉阿半島的褶皺海洋沉積物，反映了在距今約2300萬年前的中新世初期，位於紐西蘭北部的匯聚板塊邊界的形成。| 圖片來源：Adriana Dutkiewicz，作者提供。

人類的搖籃

當地殼被拉伸和變薄時，地殼的扭曲通常是不會出現在我們的視線之內的，因為它們會很快就被沉積物所覆蓋。但也有例外。東非大裂谷就是這樣一個例外，它是地殼擴張在地表可見的最壯觀示例之一。它沒有下降到海平面以下，因為這個地區在被地幔柱向上推，地幔柱是由高溫熔融物質上涌形成的，會導致隆起和火山活動。

東非大裂谷在一個巨大的斷層系統之下，這個斷層系統將非洲一分為二。斷裂將原本平坦的地貌變成了高四千米的山脈以及湖泊盆地，從沙漠到雲霧森林，各種植被覆蓋的狀況應有盡有。這種地表環境的多樣性為人類的早期進化和多樣化鋪平了道路。

應力的重要性

作用於大陸上的持續應力和應變為我們提供了一份重要的地球歷史記錄。我們通過對大陸隨時間流逝的變形模式進行建模，可以探索地震和火山活動的區域模式，還能解釋地球氣候隨時間而出現的劇烈變化。不僅如此，它還為我們提供了一個以構造數據為基礎的框架，可以幫助我們尋找一些礦物資源，例如金屬鈷和鎢，這對擁有一個可持續能源的未來是非常有有益的。

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