地幔中岩石的粒度影响构造

这颗行星是由其内部深处的力量塑造的。它们将地壳的板块相互推挤，导致山脉和火山沿着碰撞区形成。但是，在重建地球内部究竟发生了什么时，我们仅限于间接观察;例如，通过在地幔的岩石上进行压力实验或分析地震引发的地震波。

然而，所有这些观察结果都只提供了快照。如果我们想了解数百万年来发生的事情的动力学，我们需要能够模拟快速运动地质过程的计算机模型。通过将上述观测数据和物理公式输入到这些模型中，研究人员可以显示地球表面和内部如何随时间变化。

不过，这里有一个缺陷：每个模型都基于简化，因此容易出错。乍一看似乎不是特别重要的因素也可能发挥关键作用，正如ETH地球科学系结构地质学和构造学小组发表在《自然地球科学》上的一项新研究所证明的那样。通过他们的新模拟，研究人员能够证明，在以前的模型中没有充分考虑一个关键因素，即使它已知具有潜在的影响：地幔岩石的晶粒尺寸。最新的模拟现在显示了晶粒尺寸的实际影响有多大。

位错还是扩散?

晶粒大小是相关的，因为它会影响岩石在上地幔中的变形方式。如果晶粒尺寸在几毫米的范围内，岩石中的矿物主要通过矿物晶格沿平面的移动而变形。这导致了所谓的位错蠕变，被认为是地幔中岩石变形的最重要机制。

另一方面，如果晶粒尺寸较小，则另一种机制变得更加重要：扩散蠕变。然后岩石变形，不是通过矿物晶格中的位错，而是通过晶格中通过晶体结构迁移的单个原子空位。根据哪种变形机制占主导地位，岩石的强度也会相应变化。

许多悬而未决的问题

“细粒岩石主要在剪切带形成，比未变形的粗粒岩石弱得多，”该小组的高级助理，该研究的主要作者Jonas Ruh解释说。“但直到现在，我们还无法在动态模型中真实地表示这些差异。以前的一些模型只考虑了位错蠕变，这是一种过度简化。其他模型对上地幔岩石使用恒定的晶粒尺寸，这也不能做到这一点。

Ruh考虑了其他小组最近的研究以及他自己的研究小组的实验室实验，以用于他的新模型。“具体来说，我们为主要矿物橄榄石采用了一种新的生长模型，”他解释说。“而且，基于新的研究，我们现在也知道，与以前认为的相比，晶粒尺寸减小的机械能要少得多。如果考虑到这些新发现，地球地幔中的过程可以更真实地建模。

矛盾自行解决

Ruh能够证明晶粒尺寸减小，扩散蠕变的激活以及随之而来的最上层地幔的减弱显着降低了启动裂谷所需的边界力，并促进了大陆分解。

然而，这项新研究是由板块构造学的一个不同的，看似矛盾的特征引起的：地球地幔的最上层区域必须相对坚固，因为这是为什么被推到另一个板块下的构造板块不会以更陡峭的角度进入深处的唯一解释。

但是，如果这个地幔区域像下层板块的几何形状所要求的那样坚固，那么鉴于占主导地位的主要应力，最上层地幔中的岩石应该是脆弱的。因此，在地球地幔的这个区域必须发生地震，才能断断续续地释放压力。然而，迄今为止，对这种地震的观测非常罕见。

新模型现在解决了这个悖论：“细粒度的延展剪切带将高应力释放到不再发生地震的程度，”Ruh解释说。与此同时，地球地幔的最上部仍然足够坚固，足以与在碰撞区观察到的下降板块的弯曲几何形状保持一致。

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