科罗拉多大峡谷的照片。“大型不整合面”是全球主要的表面侵蚀事件的标志。
板块构造是地球上一种重要的地质过程，它塑造了地球的表面，让地球成为太阳系中独一无二的行星。但板块构造如何产生，哪些因素控制了它的演化，这些问题一直存在争议。近日，来自德国地球科学研究中心GFZ和波茨坦大学的Stephan V. Sobolev，以及来自马里兰大学的Michael Brown采用了一项新的方法解开了这一谜题。他们6月5日发表在《自然》杂志上的研究中提出，表面侵蚀产生的碎片成为了天然的润滑剂，对板块构造的启动和维持起着至关重要的作用。
自20世纪60年代以来，人们就知道板块构造是由所谓的深地幔对流驱动的。根据热动力学原理，这一过程会搅动地球内部较热和较冷的物质。因此，人们普遍认为板块构造应该只依赖于所谓的地球深部过程。地幔的冷却可能是这种过程中一种可能的控制机制。Stephan V. Sobolev 和 Michael Brown意识到此过程非常重要，但他们认为表面侵蚀事件对于板块构造的演化至少是同等重要的。“我们的假说是反直觉的。”GFZ的Stephan V. Sobolev解释道。基于地质动力学模型，Sobolev 和Brown表示，地球上板块构造的出现和演化受到海平面以上的大陆的抬升以及随后的主要表面侵蚀事件的控制。侵蚀过程产生的大陆沉积物成为了俯冲过程的润滑剂——俯冲过程是板块构造的一个关键过程。大陆沉积物就好比是减少运动部件之间摩擦力的发动机油，它可以减少俯冲板块和上覆板块之间的摩擦，Sobolev 和Brown这样解释道。
研究者们利用已经发布的地质和地球化学数据检验了他们的假说。这些数据显示，第一个明确的板块构造的证据可以追溯到25至30亿年以前。在这段时期前后，地球大陆开始抬升至海平面以上，地球上的第一个大冰河时期也在这时发生。地球历史上的第一个超级大陆——哥伦比亚大陆，紧随全球大冰河期和一次重要的表面侵蚀事件的发生，在距今约22至18亿年前聚集形成。
后来，在7至6亿年以前的全球“雪球地球”冰川期之后，地球历史上最大的表面侵蚀事件发生了。它造就了著名的全球地质断层，即所谓的“大型不整合面”。Stephan V. Sobolev和 Michael Brown在他们的研究中写道：在这一侵蚀事件期间产生的数量巨大的大陆沉积物都进入了海洋，它们润滑了俯冲板块，并且启动了板块构造的现代活跃阶段。
这一研究的关键点在于它使用了一种多学科、多尺度的研究方法。“基于板块构造的全球地球动力学模型和南美洲安第斯俯冲模式的区域模型，我们提出了假说。” Stephan V. Sobolev解释道，“然后我们使用已经发布的地质和地球化学的数据来验证我们的假说。只有这些学科有机地结合在一起，这项研究才成为可能。”
Sobolev 和 Brown表示，尽管这一理论有现有数据的支撑，但要最终检验这一假说还需要更多的地球化学数据。“它必须完全量化，这反过来需要深地幔对流与板块构造、地表过程甚至气候的耦合模拟，气候也是控制表面侵蚀的一个重要因素。这对地球系统建模学界来说是一个令人激动的挑战。” Stephan V. Sobolev说，“这要求我们建立紧密连接深地球和地表过程的新型模型。”
原创编译：李华 审稿：三水 责编：张梦
期刊来源：《自然》
期刊编号：0028-0836
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-06/ggph-sw060319.php
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