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打开窥探地球板块构造史的新窗口 |
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研究人员掘地三尺重现北美大裂缝 |
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10亿年前，一个巨大的裂缝几乎把北美大陆拦腰截断，不过，最后它失败了。研究人员可能已经找到了答案。
圣克罗伊河沿岸的玄武岩峭壁，是11亿年前断裂作用的残留物。
图片来源：MARVIN DEMBINSKY PHOTO ASSOCIATES/ALAMY
10月的一个星期六，美国明尼苏达州和威斯康星州之间的州际公路两旁的树木进入了秋季成熟期，景色怡人。沿途望去，一位摄影师正在指导一对年轻夫妇背靠玄武岩拍照合影。
如果这对爱人要纪念他们的永恒爱情，那么应该选择一个其他的背景。因为这块断裂的玄武岩是一个巨大断裂带的一部分，这条位于北美中部的裂缝在11亿年前几乎把该大陆拦腰折断——这很难成为幸福婚姻的象征。
这些火山岩是所谓中大陆裂缝的残余物，后者也是一个地质学难题。裂痕是地壳外层的伤口，最终能形成新的海洋。这也是2亿年前大西洋的诞生方式：一个活跃的裂缝使中间的盆地持续变宽。但是，中大陆裂缝是不同的。它在北美撕裂了长达3000公里的裂缝，产生了一个跟红海差不多大的盆地。之后，相关地质运动停了下来。创口停止生长，该大陆依然完整。
“这一地质活动只改变了苏必利尔湖地区的地壳，却没有分离该大陆，这非常令人惊讶。”俄克拉何马州地质调查项目负责人、俄克拉何马大学地球物理学家G. Randy Keller说，“这是一个令人惊讶的‘失败’。”加拿大湖首大学地球化学家Peter Hollings则表示，“很久以来，这条裂缝一直被忽视。”
然而现在，情况发生了改变。地质学家开始聚集到该地区，探索裂缝形成时期火山活动留下的矿石矿物沉积物：例如，明尼苏达州北部的一个地区有许多未被开发的铜镍矿。美国国家科学基金会的地球透镜计划和相关项目也对这里充满好奇。
无论如何，研究人员能感到裂缝时代已经到来。“对于之前对这里不感兴趣的部分地质学家而言，一股‘兴趣洪流’正在袭来。”Keller说。
设立监测站
在距离这对夫妇拍照地点东北约145公里处，Suzan van der Lee正斜靠着自己的铲子。森林地下约1米处，她挖出装在黑色塑料管中的地震仪。Van der Lee是伊利诺伊州西北大学的地球物理学家，她与研究生Emily Wolin一起在这里收集备份数据。
该站点位于苏必利尔湖以南50公里处。两年半前，Wolin到这里旅行时选中了该地点。这里靠近中大陆裂缝，但是距离公路足够远，以免交通产生的震动对设备产生干扰。
从那时开始，Wolin每6个月对这些监测站进行一次检查。在巡视过程中，她需要赶走饥饿的野狗、与春雪作斗争，以及向猎人求助将汽车从泥泞中推出来。其中一个监测站曾被野火焚烧，不过即使一根电线被烧坏，它也仍在工作。还有一个站点的数据记录受到暴风袭击树木后产生共振的影响。在另一个站点，似乎有猎人利用设备的太阳能电池板练习打靶：Wolin在上面发现了一个弹孔。
这些站点是地球透镜项目的附属计划（名为SPREE）的一部分。该项目通过安装82个额外监测站，以提供中大陆裂缝的详细信息。这些地震仪能检测裂缝附近1000公里的地壳和地幔。Van der Lee使用这些数据能更好地了解下面发生了什么、裂谷延伸了多长，以及收集成因线索等。
尽管研究人员尽量把地震仪安装在安静的地点，但得到的数据依然有许多噪音。该仪器十分灵敏，它们不仅能发现全世界的地震，也能检测来自海洋等的噪音。因此，研究人员需要提取真实信号。该团队正在努力收集数据，但要得出地下构造全景图还需要数月时间。
这十分迷人：数据将展示裂缝的变动幅度。“我们能够知道自己在处理一个非常复杂的构造。”van der Lee说。
深藏的秘密
SPREE和其他地球物理学研究项目，对于探索裂缝最深处的秘密十分重要——裂缝大多数构造都被隐藏了。在过去半个世纪里，地球物理学者测量了该地区的地磁和重力数据，研究结果显示，该裂缝呈U型，两臂指向苏必利尔湖南边。
上世纪80年代的地震研究揭示，裂谷的玄武岩层延伸到地下深处，在苏必利尔湖以下30公里。该裂缝总计产生了100万~200万立方千米的玄武岩，使这里成为世界上最大的岩石沉积物聚集地之一。
玄武岩的总体积让一些人认为，该裂缝由一个地幔柱所供给。地幔柱是深部地幔热对流运动中的一股上升的圆柱状固态物质的热塑性流。另一个观点是，构造板块撞击让裂缝停止发展。
研究人员使用地球化学、地球物理学等技术验证了这些理论。“所有的模型都有问题。”Hollings说，“没有一个毫无瑕疵。但是所有的新工作让我们能重估模型，了解可能发生的不同情况。”
一些研究人员开始将裂缝视为一个更大谜题的一部分。伊利诺伊大学地球物理学家Carol Stein在日前召开的美国地质学协会（GSA）会议上提出了这一观点。她表示，中大陆裂缝并不是孤立的，事实上它与深刻改变地球地质构造板块的其他裂缝存在联系。所有这些裂缝都与罗迪尼亚超大陆有关——罗迪尼亚超大陆是古代地球曾经存在的超大陆，由当时几乎所有陆块合并而成。
也有研究指出，在10亿年前，劳伦古大陆和亚马逊古陆（南美大陆的前身）开始分离，中大陆裂缝出现。Stein认为存在三叉裂谷系，由中大陆裂缝，以及劳伦古大陆和亚马逊古陆分裂的两支构成。
Stein的假设激起了其他专家的兴趣。“这是一个非常合理的理论。”伊利诺伊大学香槟分校地质学家Stephen Marshak说。他与其他同行也认为，理解中大陆裂缝也为认识东非大裂谷提供了信息——是什么驱动了它们的形成，以及在未来将如何发展。
炙热岩浆
除了理解裂缝外，研究人员还将其作为洞察过去的窗口。10亿年过去了，裂缝中的熔岩流依然平静。在某些地方，火山岩浆冷却后形成的褶皱清晰可见。
“十分壮观。”加利福尼亚大学伯克利分校地质学家Nicholas Swanson-Hysell说，“这些地貌是如何保存下来的让人十分惊讶。1950年夏威夷火山喷发形成的熔岩区看起来与11亿年前形成的十分相似。”
Swanson-Hysell在苏必利尔湖东岸10公里长的岸边收集了95个熔岩流样本。岩流的厚度从数米到20米不等，它们是1500万年前裂谷最活跃期形成的4.5千米厚的岩石的一部分。
熔岩冷却时，这些岩石中的磁性颗粒受到地球磁场的定向。Swanson-Hysell在分析地磁数据时发现，劳伦古大陆比其他板块的移动速度快。GSA会议上公布的最新预测结果显示，其移动速率为每年16厘米~45厘米。相比之下，移动速度第二快的是印度板块，5000万年~6000万年前，它以每年18厘米的速度冲向亚洲板块。现在，大部分板块的移动速度只有每年4~9厘米。
了解板块的移动速度，能给研究人员提供重建地球陆地地块运动模式的重要信息。一些运动是由一种名为真极移的现象引发的。Swanson-Hysell指出，如果真的是这样，它将是“地球内部发生了某些大事情”的标志。
再回到情侣拍照的地方，那里已经开始下起毛毛雨，人们回到了自己的车上。雨点让玄武岩变暗，它们这时看上去像新鲜的岩浆流。很快这里将空无一人，只留下岩石，充满了历史气息。（张章）
《中国科学报》 (2013-12-10 第3版 国际)
