在大約50年前的板塊構(gòu)造理論背景下，人們對固體地球的活動(例如爪哇的火山，日本的地震等)非常了解。該理論認為，地球的外殼(地球的“巖石圈”)被細分為彼此相對移動的板塊，大部分活動都沿著板塊之間的邊界集中。因此，令人驚奇的是，科學(xué)界對于板塊構(gòu)造學(xué)的起步?jīng)]有堅定的概念。本月，香港大學(xué)地球與行星科學(xué)與空間研究實驗室的亞歷山大·韋伯博士與一個國際團隊合作，在《自然通訊》上發(fā)表了一篇論文，提出了一個新的答案。。韋伯是新作品的通訊作者。

韋伯博士和他的團隊提出，地球早期的殼變熱，引起膨脹并產(chǎn)生裂縫。這些裂縫擴大并合并成一個全球網(wǎng)絡(luò)，將早期的地球殼細分為板塊。他們使用由論文的第一作者，大連理工大學(xué)的唐春安教授開發(fā)的斷裂力學(xué)代碼，通過一系列數(shù)值模擬說明了這一想法。每個模擬都跟蹤熱膨脹殼承受的應(yīng)力和變形。殼通?？梢猿惺艽蠹s1 km的熱膨脹(地球半徑為?6371 km)，但是額外的膨脹會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和全球裂縫網(wǎng)絡(luò)的迅速建立(圖1)。

盡管此新模型非常簡單(地球的早期外殼已預(yù)熱，擴展和破裂)，但從表面上看，該模型類似于久負盛名的想法，并且與地球科學(xué)的基本物理規(guī)則形成了對比。在1960年代的板塊構(gòu)造革命之前，地球活動和海洋和大洲的分布是由多種假設(shè)解釋的，包括所謂的擴展地球假設(shè)。查爾斯·達爾文(Charles Darwin)等發(fā)光體認為發(fā)生了大地震，山區(qū)建筑和土地質(zhì)量的分布被認為是地球膨脹的結(jié)果。但是，由于地球的主要內(nèi)部熱源是放射性，并且放射性元素的持續(xù)衰變意味著隨著時間的推移，可用熱量會減少，因此熱膨脹的可能性遠小于其相反的熱膨脹。那么，為什么韋伯博士和他的同事們認為地球早期的巖石圈經(jīng)歷了熱膨脹?

韋伯博士說：“答案是考慮到地球早期可能發(fā)生的主要熱損失機理。”“如果火山平流將熱物質(zhì)從深處運送到地面，是早期熱損失的主要方式，那將改變一切。”韋伯博士和合著者威廉·摩爾博士(William Moore博士)較早的著作(2013年在《自然》上發(fā)表)證明，火山作用占主導(dǎo)地位會對地球的外殼產(chǎn)生意想不到的寒意。

這是因為取自地球深處的新的熱火山物質(zhì)將作為冷物質(zhì)沉積在地表—熱量將散失到太空。深度疏散并堆積在地面上最終將需要地面材料下沉，從而使冷物料向下。冷表面材料的這種持續(xù)向下運動將對早期巖石圈產(chǎn)生冷卻作用。因為地球總體上在冷卻，所以熱量的產(chǎn)生和相應(yīng)的火山活動將減慢。相應(yīng)地，巖石圈的向下運動將隨著時間的流逝而減慢，因此，即使整個行星冷卻了，由于來自下方深層熱物質(zhì)的傳導(dǎo)，冰凍的巖石圈也將逐漸變暖。這種變暖將是新模型中調(diào)用的熱膨脹的來源。

韋伯博士和他的同事們繼續(xù)通過綜合的基于場的研究，分析和理論研究，探索我們星球以及太陽系中其他行星和衛(wèi)星的早期發(fā)展。他們的野外勘探將他們帶到了澳大利亞，格陵蘭和南非等地。他們的分析研究探索了古代巖石及其礦物成分的化學(xué)性質(zhì);他們的理論研究模擬了各種提議的地球動力學(xué)過程。這些研究共同消除了行星科學(xué)尚存的最大謎團之一：地球如何以及為什么從熔融的球變成板塊構(gòu)造?