今天,地球的表面是一块移动的构造板块,它们为我们提供了移动的大陆和山脉,甚至可能使生命成为可能。 然而,并非总是这样。 一开始,我们所知道的大陆并不存在,停滞的海洋地壳包围着地球,形成了金星今天所拥有的“盖子”。 现在,研究人员已经为盖子如何破裂提供了一个可能的解释:地幔柱 - 一块源自地球深处的热岩带 - 可能创造了第一个板块边界,使板块构造运动起来。

具体而言,研究人员假设地幔羽状物可以产生俯冲带,其中一块地球的刚性外层 - 或岩石圈 - 跨越另一层,将其推入地幔。 今天,俯冲带下沉的板块提供了板块构造背后的大部分驱动力。 科学家此前已经提出了许多新的俯冲带可能发展的方法。 然而,大多数解释都存在致命缺陷:它们仅发生在已经具有活跃板块构造的行星上。 例如,俯冲可以从弱岩石圈的区域开始,但今天,大多数岩石圈的弱点发生在构造力已经拉伸或变形地壳的地方。 为了解决这种鸡与蛋的困境,研究人员已经确定了几种可以诱导俯冲的非构造过程,包括陨石撞击,地幔物质的强烈对流,以及现在的地幔羽流。

这个想法的成长部分源于最近关于大型海洋玄武岩矿床的研究,这个海洋玄武岩被称为加勒比大火成岩省,由首尔的韩国大学的Scott Whattam和达拉斯的德克萨斯大学的Robert Stern领导。 一个特别炎热的地幔柱导致玄武岩在大约1亿年前爆发,并且似乎也引发了中美洲和南美洲加勒比海沿岸的俯冲。 为了探索同一过程是否可以启动板块构造,Whattam和Stern与瑞士ETH-Zurich的地球物理学家Taras Gerya合作,他们已经模拟了羽流与岩石圈的相互作用。 在今天在线发表于“ 自然”杂志新研究中研究小组描述了地幔羽状物如何在三维模型中引发俯冲。

在第一步中,来自羽状头部的岩浆上升到地表并爆发,形成一个炎热,浮力高的海洋地壳高原,如加勒比海大火成岩省。 通过高原渗透的熔体也会削弱它,最终导致高原崩溃。 在这个过程中,它的边缘覆盖了周围的岩石圈,将岩石圈推向了漏斗状的凹陷。 随着漏斗变形,岩石圈减弱并撕裂,产生几个独立的板块,悬挂在地幔中。 最后,这些寒冷,密集的板块开始下沉,俯冲运行。

令Gerya惊讶的是,该模型还制作了一块小盘子。 随着俯冲在其下方上升,上覆的海洋高原伸展并破裂,形成了熟悉的地质特征,如扩散中心和转换断层。 “所有类型的现有板块边界都可以通过羽流 - 岩石圈相互作用产生,”Gerya说。 这很重要,因为板块构造不仅需要俯冲 - 它还需要多个板块。

然而,研究人员发现俯冲只能在某些条件下开始。 羽状物不得不侵入容易下沉的古老寒冷岩石圈,它必须足够强大,足以削弱其上方的地壳,从而引起坍塌。 此外,俯冲需要水来润滑移动的构造板块。

没有这些成分,该模型显示该过程冻结,产生可能在未来形成构造板块的受损地壳区域。 Gerya说,这种失败的俯冲带似乎存在于金星上,过去很可能在地球上形成,并补充说板块构造可能已经开始和停止了几次,然后在大约30亿年前获得了动力。

一些研究人员质疑地球历史早期是否曾发生过必要的条件。 Socorro的新墨西哥技术公司的地球化学家Kent Condie表示,在炎热的早期地球上,不会有太多古老的寒冷岩石圈。 他说,当时大多数岩石圈都是年轻而有力的,并且会抵抗沉入地幔以开始俯冲。

此外,还不清楚数十亿年前是否经常形成地幔羽状物。 澳大利亚悉尼大学的地球物理学家Patrice Rey表示,如果他们这样做,没有人知道他们是否能像新模型所暗示的那样削弱岩石圈。 然而,无论这种不确定性如何,雷伊都喜欢新的假设做出可测试的预测 - 例如,大量的火山岩应伴随着俯冲的开始。 “这迫使你看看地质记录 - 说,好吧,这可能吗? 这里的预测是什么? 我们在性质上有吗?“

每个人都认为这不是一件容易的事。 “试图了解地幔比试图了解其他星系更糟糕,”耶鲁大学地球物理学家David Bercovici说。 他说,科学家必须要观察近3000公里的岩石和超过40亿年的时间。 但是,他们可能会继续努力。 板块构造的起源是“我们这个领域的巨大圣杯”,Bercovici说,这项研究有望引发更多争论。

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