南安普敦大學領導的一個科學家小組回答了板塊構造學中最令人費解的問題之一：大陸的”穩定”部分如何以及為什麼會逐漸上升，形成地球上一些最重要的地形特徵。在最近發表於《自然》（Nature）的研究中，研究人員檢視了數億年來全球構造力對地形演變的影響。他們發現，當構造板塊斷裂時，會在地球深處引發強大的波浪，導致大陸表面上升一千公尺以上。

非洲南部賴索托高原，位於大懸崖的中央高原上。圖片來源：南安普敦大學湯姆-格農教授

南部非洲的德拉肯斯堡懸崖。圖片來源：GFZ 波茨坦Jean Braun 教授

這些發現有助於解開一個由來已久的謎團，即塑造和連接地球上一些最壯觀地貌的動態力量–被稱為”懸崖”和”高原”的廣闊地形特徵，對氣候和生物產生了深遠的影響。

“長期以來，科學家們一直懷疑，當大陸發生斷裂並最終四分五裂時，就會形成數公里高的陡峭地形，這種地形被稱為大懸崖（如環繞南非的經典地形）。然而，要解釋為什麼遠離這些懸崖的大陸內部會隆起並受到侵蝕，卻要困難得多。湯姆-格農（Tom Gernon）說。

南部非洲的德拉肯斯堡懸崖

大陸穩定部分（稱為板塊）的垂直運動仍然是板塊構造中最不為人所知的方面之一。南安普敦大學的Thea Hincks 博士、Derek Keir 博士和Alice Cunningham 等團隊與波茨坦亥姆霍茲中心–GFZ 德國地球科學研究中心和伯明翰大學的同事合作，共同解決了這個基本問題。

他們的研究結果有助於解釋為什麼以前被認為是”穩定”的大陸部分地區會經歷大幅度的隆起和侵蝕，以及這些過程如何向內陸遷移數百甚至數千公里，形成被稱為高原的廣闊高地，如南非的中央高原。

南部非洲的德拉肯斯堡懸崖。圖片來源：GFZ 波茨坦Jean Braun 教授

大陸隆起與侵蝕建模

在去年發表於《自然》（Nature）雜誌的關於鑽石噴發與大陸斷裂之間聯繫的研究基礎上，研究小組利用先進的計算機模型和統計方法，研究了地球表面是如何隨著時間的推移對大陸板塊的斷裂做出反應的。他們發現，當大陸分裂時，大陸地殼的伸展會造成地函（地殼和地核之間的體積層）的攪動運動。

GFZ 波茨坦分部地球動力學建模科負責人薩沙-布魯內（Sascha Brune）教授說：”這一過程可以比作向大陸移動並擾動其深層地基的橫掃運動”。

來自哨兵中樞地球觀測瀏覽器的大懸崖衛星影像。使用哨兵-2 L1C 資料集拍攝於2020 年5 月。圖片來源：南安普敦大學湯姆-格農（Tom Gernon）教授

同在波茨坦工作的布魯內教授和安妮-格勒姆博士進行了模擬實驗，研究這個過程是如何展開的。研究小組注意到一個有趣的現象：在他們的模擬中，地幔”波”在大陸下移動的速度與古代岡瓦納超級大陸解體後橫掃南部非洲地貌的重大侵蝕事件的速度非常吻合。

科學家拼湊證據後提出，大斷崖起源於古代裂谷的邊緣，就像今天在東非大裂谷邊緣看到的陡壁一樣。同時，斷裂事件也引發了”深地函波”，以每百萬年約15-20 公里的速度沿著非洲大陸的底部傳播。他們認為，這種波對流地帶走了大陸根部的岩層。

布魯內教授說：”就像熱氣球減重升高一樣，大陸物質的流失也會導致大陸上升–這個過程被稱為等壓。”

來自哨兵中樞地球觀測瀏覽器的大懸崖（萊索托高原東部）衛星影像。使用哨兵-2 L1C 資料集拍攝於2022 年5 月。相對於被大懸崖分隔開來的低地，積雪使高原地區顯得更加突出。圖片來源：南安普敦大學湯姆-格農（Tom Gernon）教授

在此基礎上，研究團隊模擬了地形如何對這種地函驅動的隆起做出反應。他們發現，遷移的地函不穩定性引發了持續數千萬年的地表侵蝕浪潮，並以類似的速度橫跨整個大陸。這種強烈的侵蝕帶走了巨大的岩石重量，導致地表進一步上升，形成高原。

“我們的地形演化模型顯示了與斷裂有關的一系列事件是如何在幾千米的岩石層被侵蝕掉的情況下，形成懸崖峭壁以及穩定、平坦的高原的，”GFZ 波茨坦地球表面過程建模教授讓-布勞恩（Jean Braun）解釋說，他也是波茨坦大學的教授。

研究小組的研究為遠離大陸邊緣的火山口令人費解的垂直運動提供了新的解釋，在大陸邊緣，隆起更為常見。

伯明翰大學地球系統副教授史蒂夫瓊斯（Steve Jones）博士補充說：”我們這裡有一個令人信服的論據，即在某些情況下，斷裂可以直接產生長壽命的大陸尺度上地幔對流單元，這些由斷裂引發的對流系統對地球表面的地形、侵蝕、沉積和自然資源的分佈有著深遠的影響。

結論與未來方向

研究小組的結論是，引發鑽石從地球內部深處迅速升起的一連串地函擾動也從根本上塑造了大陸地貌，影響了從區域氣候和生物多樣性到人類定居模式等一系列因素。

格農教授獲得了由大休斯頓社區基金會管理的伍德尼克斯基金會提供的一筆重要慈善基金，用於研究全球變冷問題。他解釋說，大陸解體不僅擾動了地球深層，而且會影響到以前被認為是穩定的大陸表面。

他總結說：”大陸核心的不穩定也一定對古代氣候產生了影響。”

編譯自/ ScitechDaily