這顆行星是由其內(nèi)部深處的力量塑造的。它們將地殼的板塊相互推擠，導(dǎo)致山脈和火山沿著碰撞區(qū)形成。但是，在重建地球內(nèi)部究竟發(fā)生了什么時(shí)，我們僅限于間接觀察;例如，通過在地幔的巖石上進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)或分析地震引發(fā)的地震波。

然而，所有這些觀察結(jié)果都只提供了快照。如果我們想了解數(shù)百萬年來發(fā)生的事情的動(dòng)力學(xué)，我們需要能夠模擬快速運(yùn)動(dòng)地質(zhì)過程的計(jì)算機(jī)模型。通過將上述觀測數(shù)據(jù)和物理公式輸入到這些模型中，研究人員可以顯示地球表面和內(nèi)部如何隨時(shí)間變化。

不過，這里有一個(gè)缺陷：每個(gè)模型都基于簡化，因此容易出錯(cuò)。乍一看似乎不是特別重要的因素也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，正如ETH地球科學(xué)系結(jié)構(gòu)地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造學(xué)小組發(fā)表在《自然地球科學(xué)》上的一項(xiàng)新研究所證明的那樣。通過他們的新模擬，研究人員能夠證明，在以前的模型中沒有充分考慮一個(gè)關(guān)鍵因素，即使它已知具有潛在的影響：地幔巖石的晶粒尺寸。最新的模擬現(xiàn)在顯示了晶粒尺寸的實(shí)際影響有多大。

位錯(cuò)還是擴(kuò)散?

晶粒大小是相關(guān)的，因?yàn)樗鼤?huì)影響巖石在上地幔中的變形方式。如果晶粒尺寸在幾毫米的范圍內(nèi)，巖石中的礦物主要通過礦物晶格沿平面的移動(dòng)而變形。這導(dǎo)致了所謂的位錯(cuò)蠕變，被認(rèn)為是地幔中巖石變形的最重要機(jī)制。

另一方面，如果晶粒尺寸較小，則另一種機(jī)制變得更加重要：擴(kuò)散蠕變。然后巖石變形，不是通過礦物晶格中的位錯(cuò)，而是通過晶格中通過晶體結(jié)構(gòu)遷移的單個(gè)原子空位。根據(jù)哪種變形機(jī)制占主導(dǎo)地位，巖石的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)變化。

許多懸而未決的問題

“細(xì)粒巖石主要在剪切帶形成，比未變形的粗粒巖石弱得多，”該小組的高級助理，該研究的主要作者Jonas Ruh解釋說。“但直到現(xiàn)在，我們還無法在動(dòng)態(tài)模型中真實(shí)地表示這些差異。以前的一些模型只考慮了位錯(cuò)蠕變，這是一種過度簡化。其他模型對上地幔巖石使用恒定的晶粒尺寸，這也不能做到這一點(diǎn)。

Ruh考慮了其他小組最近的研究以及他自己的研究小組的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，以用于他的新模型。“具體來說，我們?yōu)橹饕V物橄欖石采用了一種新的生長模型，”他解釋說。“而且，基于新的研究，我們現(xiàn)在也知道，與以前認(rèn)為的相比，晶粒尺寸減小的機(jī)械能要少得多。如果考慮到這些新發(fā)現(xiàn)，地球地幔中的過程可以更真實(shí)地建模。

矛盾自行解決

Ruh能夠證明晶粒尺寸減小，擴(kuò)散蠕變的激活以及隨之而來的最上層地幔的減弱顯著降低了啟動(dòng)裂谷所需的邊界力，并促進(jìn)了大陸分解。

然而，這項(xiàng)新研究是由板塊構(gòu)造學(xué)的一個(gè)不同的，看似矛盾的特征引起的：地球地幔的最上層區(qū)域必須相對堅(jiān)固，因?yàn)檫@是為什么被推到另一個(gè)板塊下的構(gòu)造板塊不會(huì)以更陡峭的角度進(jìn)入深處的唯一解釋。

但是，如果這個(gè)地幔區(qū)域像下層板塊的幾何形狀所要求的那樣堅(jiān)固，那么鑒于占主導(dǎo)地位的主要應(yīng)力，最上層地幔中的巖石應(yīng)該是脆弱的。因此，在地球地幔的這個(gè)區(qū)域必須發(fā)生地震，才能斷斷續(xù)續(xù)地釋放壓力。然而，迄今為止，對這種地震的觀測非常罕見。

新模型現(xiàn)在解決了這個(gè)悖論：“細(xì)粒度的延展剪切帶將高應(yīng)力釋放到不再發(fā)生地震的程度，”Ruh解釋說。與此同時(shí)，地球地幔的最上部仍然足夠堅(jiān)固，足以與在碰撞區(qū)觀察到的下降板塊的彎曲幾何形狀保持一致。