固体地球的活动——例如，爪哇的火山，日本的地震等等——在大约50年的板块构造理论中得到了很好的理解。这个理论假设地球的外壳(地球的“岩石圈”)被细分为相互相对运动的板块，大部分活动集中在板块之间的边界上。令人惊讶的是，科学界对板块构造是如何开始的还没有一个明确的概念。本月，杏耀香港大学地球与行星科学与空间研究实验室的亚历山大·韦伯(Alexander Webb)博士与一个国际团队合作，在《自然通讯》(Nature Communications)上发表了一篇论文，提出了一个新的答案。Webb是新作品的通讯作者。

 

韦伯博士和他的团队提出，早期的地球外壳升温， 杏耀主管团队 ，导致膨胀，产生裂缝。这些裂缝逐渐扩大并结合成一个全球网络，将早期的地球外壳细分为板块。他们利用论文第一作者、大连理工大学的唐楚南教授开发的断裂力学代码，通过一系列数值模拟阐明了这一观点。每个模拟跟踪应力和变形经历的热膨胀壳。弹体一般能承受约1km的热膨胀(地球半径为~6371 km)，但进一步的膨胀会引发裂缝萌生并迅速建立全球裂缝网络(图1)。

 

虽然这个新模型足够简单——地球早期的外壳被加热、膨胀和破裂——但从表面上看，这个模型类似于长期被怀疑的观点，并与地球科学的基本物理规则形成对比。在60年代板块构造革命之前，地球的活动和海洋和大陆的分布被各种假说解释，包括所谓的地球扩张假说。查尔斯·达尔文(Charles Darwin)等杰出人物提出，大地震、造山和陆地的分布被认为是地球扩张的结果。然而，由于地球主要的内部热源是放射性，而放射性元素的持续衰变意味着，随着时间的推移，可用热量越来越少，热膨胀的可能性可能远远小于它的对立面:热收缩。那么，为什么韦伯博士和他的同事认为早期的地球岩石圈经历了热膨胀?

 

“答案在于考虑到地球早期可能发生的主要热损失机制，”韦伯博士说。“如果早期热损失的主要形式是火山平流，即从深处携带热物质到地表，那么一切都会改变。”正如韦布博士和合著者威廉·摩尔博士(William Moore)的早期研究(2013年发表在《自然》(Nature)杂志上)所记载的那样，火山活动的主导作用会对地球的外壳产生意想不到的降温作用。这是因为从地球深处获取的新的火山热物质会作为冷物质沉积在地表——热量会流失到太空中。在深度上的疏散和在表面上的堆积最终会导致表面物质下沉，导致低温物质下沉。表面冷物质的持续向下运动对早期岩石圈产生了冷却作用。因为地球整体上在变冷，热量的产生和相应的火山活动会减慢。相应地，岩石圈的向下运动会随着时间的推移而减慢，因此，即使整个地球变冷了，冰冷的岩石圈也会通过下面的深部热物质传导而逐渐变暖。这种变暖可能是新模型中所引用的热膨胀的来源。新的模型表明，如果地球的固体岩石圈的热膨胀足够大，它就会破裂，而裂缝网络的迅速增长将把地球岩石圈分成板块。

 

韦伯博士和他的同事们继续通过综合的场基、分析和理论研究，杏耀平台探索我们的行星以及太阳系其他行星和卫星的早期发展。他们的野外探索把他们带到遥远的地点，在澳大利亚，格陵兰和南非;他们的分析研究探讨了古岩石的化学成分及其矿物成分;他们的理论研究模拟了各种地球动力学过程。这些研究共同揭开了地球和行星科学中尚存的最大谜团之一:地球是如何以及为什么从一个熔融球体变成我们的板块构造行星的?