2005年，我在南非莱索托的德拉肯斯堡山脉蜿蜒的道路上穿行。高耸的悬崖状景观被称为悬崖峭壁，高出一公里或更多。我被这壮观的景色吓了一跳，一个问题打动了我:它究竟是如何形成的?
作者
托马斯Gernon
南安普顿大学地球与气候科学教授
我们星球的外壳被分成七到八个主要部分，或者说是板块，大陆就在这些板块上。我们期望看到大陆在这些板块的活跃边界上升，那里火山活动和地震经常集中。
但是，这些戏剧性的特征为什么以及如何在远离这些边界的地方形成呢?经过近二十年的思考和取证工作，我们的新理论发表在《自然》杂志上，解释了在德拉肯斯堡看到的隆起是如何发生在大陆本应稳定的部分的。
我们现在认识到的大陆曾经是统一的、伟大的“超级大陆”。冈瓦纳就是这样一个例子，它存在于数亿年前，在恐龙时代开始分裂。我们认为，当这些超级大陆分裂时，它会触发大陆下面的一种搅拌过程，我们现在称之为“地幔波”。这种在地球深处的运动缓慢地波及部分熔融的大陆下腹部，扰乱了它的深层根源。
地幔是地球上厚2900公里的一层，位于我们赖以生存的外地壳之下。为了研究大陆分裂时会发生什么，我们建立了复杂的动态模型来模拟地壳和地幔的特性，以及它们在施加力时的物理张力。
当大陆分离时，地幔中的热岩石冲上填补空隙。炽热的岩石与寒冷的大陆摩擦，冷却，密度增大，然后下沉，就像熔岩灯一样。
以前没有被注意到的是，这种运动不仅扰乱了所谓的裂谷带(地壳被拉开的地方)附近的地区，而且也扰乱了附近大陆的根部。反过来，这又引发了一系列不稳定，由热量和密度差异驱动，传播到大陆下面的内陆。这个过程不会在一夜之间展开——这个“波浪”需要数千万年的时间才能进入大陆的深处。
这一理论可能对我们星球的其他方面产生深远的影响。例如，如果这些地幔波像我们建议的那样，从大陆根部剥离大约30到40公里的岩石，它将对地表产生一连串的重大影响。失去这些岩石“压舱物”使大陆变得更有浮力，使它在失去沙袋后像热气球一样上升。
地球表面的隆起，直接发生在地幔波的上方，应该会导致河流侵蚀的增加。这是因为隆起抬升了之前埋藏的岩石，使斜坡变陡，使它们更加不稳定，并允许河流雕刻出深深的山谷。我们计算出，在某些情况下，侵蚀应该达到一到两公里，甚至更多。
大陆的最深处被认为是地球上最坚硬、最稳定的部分，所以从这些地区移走几公里绝非易事。
但在这些稳定大陆区域的边缘，被称为克拉通，我们看到了千米高的悬崖，就像莱索托的一样。这些巨大的悬崖环绕着这些地区，绵延数千公里。它们证明了大约在1.8亿年前冈瓦纳超大陆分裂的同时，地球景观发生了根本性的破坏。
神秘的高原
在这些巨大的悬崖的内陆，我们发现了高原，比如南非的中央高原，海拔超过一公里。这些高原的起源长期以来一直是个谜，通常与悬崖峭壁没有联系。
一些科学家先前援引了一种被称为地幔羽流的现象——来自地球深处的热的、浮力强的物质的巨大上涌——作为高原的可能解释。
这样的羽流可能会向上推，并动态地支撑地壳。然而，在相关时期的周围大陆或海洋的地质记录中，没有证据表明这种大陆内部羽流特征。地幔波能提供一个新的解释吗?
为了验证我们的预测，我们求助于热年代学——这是一门帮助我们理解现在在地表或地表附近的岩石是如何随着时间的推移而冷却的科学。某些矿物，如磷灰石，对温度和时间都很敏感。就像飞行记录仪一样，这些矿物质记录了“冷却历史”，提供了给定岩石温度变化的快照。
在这里，我们使用了分散在非洲南部的多种现有测量方法。这一分析证实了我们模型的预测:在我们模型所建议的大致时间内，整个地区发生了几公里的侵蚀。更引人注目的是，在我们的模拟中，侵蚀以一种与地幔波非常相似的模式在非洲南部移动。
为了进一步探索这种联系，我们应用了一种称为景观演化模型的不同类型的模拟，该模拟研究了水如何与景观相互作用，以及当景观被河流雕刻时，地球表面如何有效地反弹或“弯曲”。
当我们在计算机模型中加入地幔波时，它显示了它在理论上是如何形成一个高海拔高原的。我们的研究结果解释了大陆的垂直运动是如何在远离活跃构造板块边界的地方发生的，而大多数隆起通常发生在活跃构造板块边界。
在这些地幔波事件中发生的大规模侵蚀会引起岩石的强烈化学风化，从而从大气中去除二氧化碳，促进全球变冷。这些隆起也可以在物理上分离植物和动物，导致物种形成和塑造进化。在了解山脉远离大陆边缘形成的过程方面，我们已经取得了很大进展。至今仍令我惊讶的是，这一切都始于莱索托令人敬畏的风景。
Thomas Gernon接受WoodNext基金会的资助，这是一个由大休斯顿社区基金会管理的组成基金。
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希望本篇文章《探索地幔波动对山脉形成的新机制》能对你有所帮助！
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