研究人员掘地三尺重现北美大裂缝

十亿年前，一条巨大的裂缝几乎切断了北美大陆，但最终失败了。研究人员可能已经找到了答案。

圣克罗伊河沿岸的玄武岩悬崖是11亿年前断层作用的残余。

来源:马文·登宾斯基摄影协会/阿拉米

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侧的树木进入了秋天的成熟期，景色宜人。一路上，一名摄影师正引导一对年轻夫妇背对着玄武岩拍照。

如果恋人们想纪念他们永恒的爱，他们应该选择另一个背景。因为这块断裂的玄武岩是一个巨大断裂带的一部分，所以在11亿年前，这个位于北美中部的断裂几乎打破了这块大陆——这几乎不是幸福婚姻的象征。

这些火山岩是所谓的大陆中部裂谷的残余，这也是一个地质问题。裂缝是地壳外层的伤口，最终会形成新的海洋。这也是2亿年前大西洋诞生的方式:一条活跃的裂缝不断扩大了中部盆地。然而，*的裂缝是不同的。它在北美撕裂了3000公里的裂缝，形成了一个红海大小的盆地。此后，相关的地质运动停止了。伤口停止生长，大陆保持完整。

"非常令人惊讶的是，这种地质活动只改变了苏必利尔湖的地壳，却没有将大陆分开。"“这是一个惊人的失败，”俄克拉荷马大学地球物理学家、俄克拉荷马地质调查项目负责人兰迪·凯勒说。加拿大莱克海德大学的地球化学家彼得·霍林斯说，“这条裂缝已经被忽视很长时间了。”

然而，现在情况发生了变化。地质学家开始聚集在该地区，探索断裂形成期间火山活动留下的矿藏:例如，明尼苏达州北部的一个地区有许多未开发的铜镍矿。美国国家科学基金会的地球透镜计划和相关项目也充满了好奇心。

无论如何，研究人员可以感觉到裂缝的时代已经到来。“对于一些以前对这里不感兴趣的地质学家来说，一股‘兴趣洪流’即将来临。”凯勒说。

建立监测站

苏珊·范德·李斜靠在他的铲子上，距离这对夫妇的照片拍摄地点东北约145公里。在森林地下大约1米处，她在一个黑色塑料管里挖出了一个地震仪。范德·李是伊利诺伊州西北大学的地球物理学家，她和研究生艾米丽·沃林一起收集备份数据。

该遗址位于苏必利尔湖以南50公里处。两年半前，沃林在这里旅行时选择了这个地方。它靠近中部大陆的裂缝，但离公路足够远，以避免交通产生的振动干扰设备。

从那以后，沃林每六个月检查一次这些监测站。在旅途中，她需要赶走饥饿的野狗，与春雪战斗，并请求猎人帮忙将车推出泥沼。其中一个监测站被野火烧毁，但即使一根电线被烧坏，它仍在工作。还有一个网站的数据记录在风暴袭击树木后受到共振的影响。在另一个地方，猎人们似乎在用设备的太阳能电池板练习射击:沃林发现了一个弹孔。

这些网站是地球透镜项目(名为SPREE)卫星项目的一部分。该项目通过增设82个监测站，提供了中部大陆断裂的详细信息。这些地震仪可以探测到裂缝附近1000公里的地壳和地幔。范德·李利用这些数据来更好地理解下面发生的事情，裂缝延伸了多长时间，并收集关于原因的线索。

尽管研究人员试图在安静的地方安装地震仪，但数据仍然包含大量噪音。这台仪器非常灵敏。他们不仅能发现世界各地的地震，还能探测到来自海洋的噪音等等。因此，研究人员需要提取真实的信号。该小组正试图收集数据，但要想获得地下结构的全景还需要几个月。

这很有意思:数据将显示裂缝有多大变化。"我们可以知道我们正在处理一个非常复杂的结构."范德李说道。

一个深刻的秘密

施普雷和其他地球物理研究项目对于探索裂缝的最深秘密非常重要——裂缝的大多数结构都是隐藏的。在过去的半个世纪里，地球物理学家测量了该地区的地磁和重力数据。结果表明，裂缝呈U形，双臂指向苏必利尔湖以南。

20世纪80年代的地震研究显示，裂谷的玄武岩层在苏必利尔湖下方30公里处延伸至地下深处。这些裂缝总共产生了100万到200万立方千米的玄武岩，使其成为世界上最大的岩石沉积物集中区之一。

玄武岩的总体积使一些人认为裂缝是由地幔柱提供的。地幔柱是深部地幔热对流中上升的圆柱形固体热塑性流动。另一种观点认为，板块碰撞阻止了裂缝的发展。

研究人员使用地球化学和地球物理技术来验证这些理论。“所有型号都有问题。”霍林斯说，“没有人是完美无缺的。但是所有的新工作都允许我们重新评估模型，并理解可能发生的不同情况。”

一些研究人员开始将裂缝视为更大难题的一部分。伊利诺伊大学的地球物理学家卡罗尔·斯坦在最近的美国地质协会会议上提出了这一观点。她说，*的裂谷不是孤立的，事实上，它与深刻改变地球地质构造板块的其他裂谷有联系。所有这些裂缝都与罗迪尼亚超大陆有关，这是一个曾经存在于古代地球上的超大陆，由当时几乎所有的陆块合并而成。

一些研究还指出，10亿年前，劳伦古大陆和亚马逊古大陆(南美洲大陆的前身)开始分离，中部大陆出现裂缝。斯坦认为有一个三叉裂谷系统，由中部大陆的裂谷和劳伦提安和亚马逊古大陆的两个裂缝组成。

斯坦的假设引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的地质学家斯蒂芬·马尔夏克说。他和其他同事还认为，了解中国的裂谷也为了解东非大裂谷提供了信息——是什么推动了东非大裂谷的形成，以及东非大裂谷在未来将如何发展。

热岩浆

除了理解裂缝，研究人员还将它们作为了解过去的窗口。十亿年后，裂缝中的熔岩流依然平静。在一些地方，冷却火山岩浆形成的褶皱清晰可见。

“非常壮观。”加州大学伯克利分校的地质学家尼古拉斯·斯旺森-希塞尔说，“这些地貌是如何幸存下来的，真是令人惊讶。1950年夏威夷火山爆发形成的熔岩区看起来与11亿年前形成的非常相似。”

斯旺森-希塞尔沿着苏必利尔湖东岸10公里长的海岸收集了95个熔岩流样本。岩石流的厚度从几米到20米不等。它们是1500万年前裂谷最活跃时期形成的4.5公里厚岩石的一部分。

当熔岩冷却时，这些岩石中的磁性粒子被地球磁场定向。斯沃森-希塞尔发现，劳伦古大陆在分析地磁数据时比其他板块移动得更快。美国地质调查局发布的最新预测结果显示，其移动速度为每年16厘米至45厘米。相比之下，印度板块正以第二快的速度移动。5000-6000万年前，它以每年18厘米的速度撞击亚洲板块。目前，大多数板块的移动速度仅为每年4 ~ 9厘米。

了解板块运动的速度可以为研究人员提供重建地球陆地运动模式的重要信息。有些运动是由一种叫做真正极移的现象引起的。斯沃森-希塞尔指出，如果是这样的话，这将是“地球内部发生了一些大事”的标志

回到情侣们拍照的地方，毛毛开始下雨了，人们回到了他们的车里。雨滴使玄武岩变黑，现在看起来像新的熔岩流。很快这里就没有人了，只有岩石，充满了历史。(张张)

中国科学新闻(2013-12-10第三版国际版)