互动科普

现今地球上有几个处于活动中的裂谷系（图1A），其中最受瞩目的是东非大裂谷，它被称作“地球的伤疤”，以其雄伟壮观的地形和众多的火山湖泊而闻名。它的东西两支长度累积近6000千米，裂谷带平均宽度约40～60千米，最大宽度约200千米。

裂谷形成于大陆地壳内部。地幔对流理论认为，地幔在大洋中脊上涌形成新的洋壳，而在大陆板块边缘下沉形成俯冲带（图1D）。大洋中脊形成的早期，地幔物质在大陆内上涌，先形成裂谷系，部分裂谷会贯通最终形成开裂的洋中脊，并扩张成为大洋。目前，东非大裂谷就处于地幔上涌的过程中，其深部特征与非洲西部的大西洋中脊很相似（图1C），而东非裂谷北部的红海-亚丁湾已经贯通形成了真正意义的洋壳（图1B）。

图1. 非洲裂谷的分布及特征。A为板块分布图，①～④是现今陆地上较为活动的裂谷及大型地堑系分布范围。其中，①为美国里奥格兰德裂谷，②为欧洲罗纳-莱茵地堑系，③为贝加尔裂谷、中国山西地堑系，④为东非裂谷系。B为非洲大陆上裂谷分布的位置。C为大西洋中脊及非洲大陆深部的剖面示意图。D为地幔对流示意图，反映了洋中脊的地幔物质上涌，以及俯冲带处陆壳的拆沉作用。

在1.5亿年前的侏罗纪时期，泛大陆虽然解体，但非洲板块与南美、南极洲板块仍未分离（图2A）。古非洲板块与南部的南极洲板块，由于地幔柱作用逐渐开裂，形成了陆内裂谷。一般这种裂谷以地幔柱为中心呈现三叉形状（图2E），多个地幔柱作用点之间的裂谷逐渐贯通而形成更大规模的开裂，最后发展为大洋（图2E，粉色部分）；而三叉裂谷中有一支会被废弃，形成坳拉谷（右页上图E，蓝色部分），坳拉谷内发育一系列地堑系，有高角度正断层控制地堑系的边界。当地幔物质不再为坳拉谷提供能量时，它的活动性便趋于静止。

图2. 非洲裂谷的发育过程。A～D为侏罗纪以来非洲大陆的演化以及陆内裂谷的发育过程，粉色线条为地幔上涌导致的早期三叉裂谷。E为三叉裂谷向洋壳发育过程的示意图，以及废弃的一支形成的坳拉槽。

距今3500万年前的古近纪，东非同样由于地幔柱作用产生了三叉裂谷，即红海-亚丁湾-东非裂谷。红海-亚丁湾发育至今已贯通形成了洋中脊，而东非裂谷向南侧陆内延伸，形成了东西两支组成的裂谷系。由于东非裂谷带来适宜的环境，科学家们认为大约300万年前人类的祖先就是在这里离开丛林来到地面生活，并在北部的阿法尔裂谷（Afar rift，图3A）发现了“人类的母亲”露西（Lucy）的骨骼化石。

如果按照非洲早期裂谷的发展规律，东非裂谷很可能也逐渐废弃成为坳拉谷。但有科学家认为，东非裂谷活动的规模以及剧烈程度很可能使其继续发展，并逐渐开裂形成新的洋壳。地球物理学家通过地震波在地球深部的速度异常，来反演非洲大陆下面的深部构造，结果发现，从下地壳一直到地幔与地核的边界，都存在很大范围的低速异常，即熔融的地幔（图3C、D）。所以他们推测，非洲下部存在一个超级地幔柱，与地球另一侧的太平洋超级地幔柱相对应（图3B）。这个超级地幔柱有充足的地幔物质从核幔边界上涌，到了地壳内可能会发育为多个小型地幔柱及热点，这种作用可能导致了东非裂谷的强烈活动，并向南继续发育分支（图3A）。因此，东非大裂谷是会逐渐静止成为坳拉谷，还是继续活动形成新的大洋，仍需要更多的证据。

图3. 东非大裂谷的特征。A为东非大裂谷的区域构造图，紫色为裂谷分布范围，及裂谷内形成的湖泊，绿色为扩张洋中脊。B为太平洋、非洲两个超级地幔柱的示意图。C、D为地震波所反映的深部层析成像图，分别表示非洲大陆400千米与2150千米深的物质特征；其中，蓝色区域为地震波正波速异常，表明深部物质趋于刚性，红色为地震波负波速异常，表明物质趋于熔融而塑性较强。

（本文发表于《科学世界》2016年第11期）