地球表面的塑造通常归功于构造板块之间的剧烈碰撞，构造板块是地球岩石外壳的可移动碎片。例如，当印度撞击亚洲时，强大的喜马拉雅山脉隆起，而当太平洋洋底俯冲到南美洲下方时，安第斯山脉也随之增长。但是，即使是强大的板块构造力量也无法完全解释地球上一些最巨大的地表特征。
以非洲南部为例，那里拥有世界上最大的高原之一，横跨 1,500 多公里，海拔近 2 公里。地质证据表明，非洲南部及其周围的洋底在过去 1 亿年中一直在缓慢上升，即使它已经近 4 亿年没有经历过构造碰撞。
非洲超隆起（即这片隆起的陆地）只是地球表面大范围垂直运动的一个例子。在遥远的过去的其他案例中，澳大利亚和北美的广阔区域下沉了数百米，然后又重新隆起。
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专门研究地球内部的科学家长期以来一直怀疑地球深处的活动是地表垂直变化的幕后推手。这些地球物理学家开始在地幔（地球的中间层）中寻找线索。这个灼热的岩石区域位于构造板块的拼图结构下方，向下延伸超过 2,900 公里，直至地球铁核的外边缘。研究人员了解到，地幔强烈的高温和高压变化使固态岩石能够在数千年内像糖浆一样缓慢蠕动。但他们最初无法理解它是如何引起大规模垂直运动的。然而，现在，强大的计算机模型将今天地幔的快照与关于地幔过去可能行为的线索相结合，开始解释为什么地球表面的某些部分经历了这些惊人的起伏。
非洲超隆起之谜是最容易解开的谜团之一。自 20 世纪上半叶以来，地球物理学家已经认识到，在地质时间的漫长跨度中，地幔不仅蠕动，还会像一锅即将沸腾的浓汤一样翻腾和沸腾。最热岩石的密度相对较低，这使得该材料具有浮力，因此它会缓慢上升；相反，较冷、密度较大的岩石会下沉，直到熔融核心散发的热量将其加热到足以使其再次上升。这些三维运动（称为对流）已知可以实现构造板块的水平运动，但它们产生的力似乎不太可能抬升和降低地球表面。当研究人员创建了地球内部的第一批模糊图像时，对地幔力量的这种怀疑开始消退。
大约 20 年前，科学家们想出了一种方法，通过测量地球外壳中发生的地震引起的振动，来制作地幔的三维快照。这些振动或地震波的速度取决于它们穿过的岩石的化学成分、温度和压力。波在高温、低密度岩石中变得迟缓，在较冷、密度较大的区域中加速。通过记录地震震中到地表特定记录站的地震波传播时间，科学家可以推断出给定内部区域的温度和密度。通过汇编来自全球数千次地震的地震速度图，他们可以开始绘制整个地幔的温度和密度图。
这些地震快照（随着研究人员找到更准确的方法来汇编他们的测量结果，这些快照变得越来越详细）最近揭示了地幔最深处一些出乎意料的巨大构造。最大的单一构造原来位于非洲南端正下方。大约五年前，地震学家杰伦·里特塞马（现就职于巴黎地球物理研究所 (IPGP)）和亨德里克-扬·范·海斯特（现就职于壳牌研究公司）计算出，这个蘑菇状地幔柱从地核向上延伸约 1,400 公里，并横跨数千公里[见下图]。
研究人员立即开始怀疑这个巨大的地幔柱是否可能将非洲向上推。由于地幔柱是地震波速度缓慢的区域，他们认为它比周围的地幔更热。对流的基本物理学表明，热地幔柱很可能会上升。但是，地震快照仅记录了时间上的一个瞬间，因此仅记录了一个构造的位置。例如，如果地幔柱的成分与周围岩石不同，则它可能会更热，但仍然不会上升。因此，另一位地球物理学家，多伦多大学的杰瑞·X·米特罗维卡和我决定创建一张可能发生情况的延时图片。我们将地幔柱的形状和估计密度，以及非洲南部开始隆起的时间估计值，输入到模拟地幔对流的计算机程序中。通过这样做，我们发现地幔柱确实具有足够的浮力在地幔中缓慢上升，并且足够强大（一个名副其实的超级地幔柱）可以将非洲向上推升[参见第 22 页的“中白垩世超级地幔柱事件”]。
但是，非洲超级地幔柱仅仅是热地幔还是实际上具有不同的成分，仍然是一个积极研究的主题。两年前，地震学家唐纳德·V·海尔伯格和倪思道与地球动力学家谭恩和我都加入了加州理工学院的团队，共同解决这个问题。通过监测掠过地幔柱东侧的地震波，我们发现地幔柱有清晰的侧面。与这种清晰度相匹配的计算机模型，以及它从垂直方向倾斜的观测结果表明，一个巨大的、化学成分不同的热异常正在地幔中积极上涌。
地震快照和计算机模型（地球物理学家的基本工具）足以解决非洲超隆起之谜，但解决北美洲和澳大利亚的上下运动更为复杂，因此是以更为迂回的方式完成的。仅考虑今天地幔样貌的地球物理学家无法完全解释地幔如何塑造地球表面。因此，他们必须借鉴传统地质学家的历史视角，这些地质学家思考地表随时间推移的变化方式。
有助于解释澳大利亚和北美洲的上下摆动的见解开始随着对一个看似无关的主题的调查而出现：地幔密度对地球引力场的影响。物理学的基本原理使 20 世纪 60 年代的科学家们期望，在热岩石的袋状区域上方，重力会最低，因为热岩石的密度较低，因此质量较小。但是，当地球物理学家首次绘制地球引力变化图时，他们没有发现任何证据表明重力与地幔的冷热部分相关联（至少没有以预期的方式相关联）。
事实上，在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初，克莱门特·G·蔡斯发现了相反的模式。当现就职于亚利桑那大学的蔡斯考虑超过 1,500 公里的地理尺度时，他发现引力最强的不是在冷地幔上方，而是在被称为热点的孤立火山区域上方。也许更令人惊讶的是蔡斯注意到的关于低重力长带位置的信息，该低重力长带从加拿大哈德逊湾向北延伸，越过北极，穿过西伯利亚和印度，然后向下进入南极洲。根据对古代构造板块构造的估计，他表明，这条低重力带标志着一系列俯冲带的位置（即携带洋底碎片的构造板块俯冲回地幔的区域），时间可追溯到 1.25 亿年前。古代俯冲带的幽灵似乎正在减弱重力的吸引力。但是，如果寒冷、密集的洋底块仍在穿过地幔下沉，那么似乎这些地点上方的重力会很高，而不是像蔡斯观察到的那样低。
在 20 世纪 80 年代中期，现就职于麻省理工学院的地球物理学家布拉德福德·H·哈格尔通过提出温度以外的其他因素可能会在地幔内产生质量过多或不足的区域，从而解决了这个明显的悖论。哈格尔从描述运动流体的物理学中发展了他的理论，地幔的行为在长期内模仿了运动流体的行为。当低密度流体向上升起时（就像地幔中最热的部分一样），流动的力会将上方密度较高的流体向上推。这种在上涌顶部的缓和上升本身会在行星表面附近产生过量的质量（因此重力更强）。同样，在寒冷、密集的物质上方，重力可能会较低：当这种重物质下沉时，它会拖拽曾经靠近地表的物质。这个理论解释了为什么俯冲带的幽灵会产生低重力带：一些寒冷的、俯冲的洋底一定仍在地球内部下沉，并在下沉过程中将地球表面向下拖拽。如果哈格尔的解释是正确的，那就意味着地幔不仅在地表附近水平蠕动；地幔整个部分的上下运动也到达了地表并显着地改变了它。向上涌动的区域会将上方的陆地向上推升，而下沉的区域会在下降时将上覆的大陆向下拖拽。
上下摆动的大陆
就在蔡斯和哈格尔发现了一种可以显着抬升和降低地球表面的机制的同时，地质学家开始看到证据表明，大陆过去可能确实经历过这种沉降和隆起。全球范围内的地质构造都包含海平面随时间波动的证据。许多地质学家怀疑，这种波动会以相同的方式影响所有大陆，但其中一些人提出了令人信服的证据，证明海平面最重大的变化源于大陆的垂直运动。当一个大陆相对于其他陆地向上移动时，例如，该大陆周围的海洋表面会降低，而其他陆地周围的海平面将保持不变。
然而，大多数地质学家都怀疑大陆可能会垂直移动这种有争议的观点，即使在 20 世纪 70 年代初澳大利亚奇异的上下摆动的最初迹象出现时也是如此。悉尼麦考瑞大学的地质学家约翰·J·维弗斯检查了澳大利亚东部的古代岩层露头，发现大约在早白垩世时期（大约 1.3 亿年前），浅海迅速覆盖了澳大利亚的一半，而其他大陆的淹没速度则慢得多。海平面在那些陆地周围的最高峰出现在晚白垩世（大约 7000 万年前），但那时海洋已经从澳大利亚海岸线退去。相对于其他陆地，该大陆的东半部一定下沉了几百米，然后在全球海平面开始下降之前又重新隆起。
维弗斯对上下摆动的大陆的看法原来只是澳大利亚神秘故事的一部分。1978 年，现就职于哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地质学家杰拉德·C·邦德在寻找全球历史上大陆垂直运动的例子时，发现了更奇怪的事件转折。在澳大利亚在白垩纪期间的沉降和隆起之后，它又下沉了，这次是在那时到今天之间下沉了 180 米。仅基于板块构造的合理解释无法解释邦德和维弗斯发现的大范围垂直运动。找到令人满意的解释将需要科学家将此信息与另一个重要线索联系起来：哈格尔关于地幔如何改变地球表面形状的理论。
将这些线索联系起来的第一个重要步骤是对邦德全球调查中的另一个上下示例进行仔细检查。在 20 世纪 80 年代后期，这项工作启发了新斯科舍省哈利法克斯达尔豪西大学的地质学家克里斯托弗·博蒙特，他着手解决关于丹佛的一个令人困惑的观察结果。尽管这座城市的海拔超过海平面 1,600 米，但它坐落在平坦、未变形的海相岩石之上，这些岩石是由白垩纪时期浅海海底沉积的沉积物形成的。广阔的海洋在那段时间覆盖了大部分大陆，但海平面比今天高出不超过约 120 米。这意味着海洋永远不可能到达丹佛目前的位置，除非这片土地首先被拉低数百米以允许海水涌入内陆。
根据白垩纪时期北美洲海岸线的位置，博蒙特估计，这种向下弯曲并随后隆起到今天的高度一定影响了一个大约 1,000 公里宽的区域。这种地理尺度对于板块构造单独塑造地表的普遍观点来说是有问题的。板块构造机制允许在仅距板块边缘 200 公里或更近的范围内进行垂直运动，这些板块边缘足够薄，可以在力作用下像硬钓鱼竿一样弯曲。但是，北美洲内部的运动发生在内陆数百公里处，远离板块碰撞的影响。一定有完全不同的机制在运行。
博蒙特知道古代洋底的俯冲板块可能位于北美洲下方的地幔中，并且这些板块理论上可能会将大陆中心向下拖拽。为了确定地幔的向下流动是否可能导致丹佛附近的沉降，博蒙特与当时是多伦多大学研究生的米特罗维卡和多伦多约克大学的加里·T·贾维斯合作。他们发现，白垩纪期间北美洲的下沉可能是由一块名为法拉隆板块的板块造成的，因为它俯冲到北美洲西海岸下方的地幔中。研究小组根据计算机模型得出结论，古代板块几乎水平地推入地幔中。随着板块开始下沉，它在其尾迹中产生了向下的流动，将北美洲拉得足够低，以允许海洋涌入。随着法拉隆板块下沉得更深，其尾迹的力量减弱。大陆漂浮的趋势最终占了上风，北美洲重新浮出水面。
当加拿大研究人员在 1989 年提出他们的理论时，法拉隆板块早已消失在地幔中，因此它的存在只是从太平洋底部的地质迹象中推断出来的。当时，没有足够高分辨率的地震图像来描绘像下沉的洋底碎片这样小的构造。然后，在 1996 年，新的地幔图像改变了一切。来自德克萨斯大学奥斯汀分校的斯蒂芬·P·格兰德和麻省理工学院的罗伯特·D·范德希尔斯特（分别来自不同研究小组的地震学家）提出了两张基于完全不同的地震测量集的图像。这两张图片都显示了几乎相同的构造，尤其是与下沉的洋底板块相关的冷地幔下沉流。长期失踪的法拉隆板块在图像中非常突出，它是一个拱形的板块，位于美国东海岸下方 1,500 公里处。
向下移动到澳大利亚
将北美洲的上下摆动运动与洋底的俯冲联系起来，在古代海平面变化与地幔中的活动之间建立了令人信服的联系。同样明显的是，古代法拉隆板块位于蔡斯二十年前观察到的低重力带内。我怀疑这些想法也可能适用于大陆上下摆动中最神秘的情况，即白垩纪期间和之后的澳大利亚上下摆动。我已经使用计算机模型模拟地幔对流 15 年了，我的许多结果表明，地幔实际上能够将地表抬升数百米，这种差异足以轻松导致海平面明显下降。像蔡斯、维弗斯和我之前的其他研究人员一样，我查看了已知的板块构造历史，以寻找关于地幔中是否有什么东西可以解释澳大利亚的上下弹跳的线索。在白垩纪时期，澳大利亚、南美洲、非洲、印度、南极洲和新西兰组装成一个名为冈瓦纳的巨大超大陆，该超大陆存在了 4 亿多年，然后才分裂成今天我们熟悉的陆地。在冈瓦纳的大部分时间里，周围是一个巨大的俯冲带，寒冷的海洋板块俯冲到地幔中。
我认为，在数亿年里围绕冈瓦纳的俯冲带可能以某种方式导致了澳大利亚的上下起伏。当我将古代俯冲带草绘在悉尼大学的海洋地球物理学家 R·迪特马尔·穆勒构建的古代板块构造图上时，我更加确信。这些草图似乎解释了澳大利亚的怪异之处。在澳大利亚沉降时，它本应直接穿过冈瓦纳的旧俯冲带。
为了了解当冈瓦纳在数百万年里分裂时，冷板块在地幔中的行为方式，穆勒和我加入了现就职于澳大利亚莫纳什大学的路易斯·莫雷西，运行了一个计算机模拟，描绘了地幔随时间推移对澳大利亚的影响。我们知道古代俯冲带的原始位置、该地区水平板块运动的历史以及下方地幔的估计属性（例如粘度）。在这些约束条件下，计算机为澳大利亚播放了一个几乎完美地符合我们假设的场景[见上方框]。
计算机模型从 1.3 亿年前开始，当时洋底俯冲到澳大利亚东部下方的地幔中。随着澳大利亚从冈瓦纳大陆分离出来，它穿过了寒冷、下沉的板块，这块板块将澳大利亚板块向下吸。随着大陆继续向东迁移远离板块，它又隆起。
我们的模型解决了维弗斯最初观察到的白垩纪期间澳大利亚运动的谜团，但我们仍然对邦德发现的后来澳大利亚大陆范围的下沉感到困惑。在另一位地球物理学家卡罗莱纳·利思戈-贝特洛尼（现就职于密歇根大学安娜堡分校）的帮助下，我们证实了邦德的观察结果，即在白垩纪之后，随着澳大利亚向北向印度尼西亚移动，它下沉了约 200 米。利思戈-贝特洛尼的全球地幔模型（其中纳入了俯冲历史）表明，印度尼西亚的下沉幅度比世界上任何其他地区都大，因为它位于太平洋和印度洋巨大现代俯冲系统的交汇处。随着印度尼西亚下沉，它将澳大利亚也拉了下来。如今，印度尼西亚是一片广阔的淹没大陆，只有最高的山峰突出海平面。
这让我们回到了非洲。从某种意义上说，印度尼西亚和非洲是相反的：印度尼西亚正在被拉下来，而非洲正在被推上去。过去几亿年里发生的这些以及地幔中的其他变化与超大陆冈瓦纳密切相关。蔡斯 30 年前发现的巨大低重力带是由曾经环绕广阔南部陆地的巨大俯冲带的仍在下沉的板块造成的。冈瓦纳的中心是非洲南部，这意味着当时以及此后的数百万年里，该区域下方的地幔与下沉构造板块的冷却效应隔绝。非洲南部下方长期缺乏寒冷、向下的运动解释了为什么现在有一个热超级地幔柱在那里深地幔中喷发。
随着所有这些发现，地幔运动的生动、动态的画面已经变得清晰。研究人员开始看到，这些运动以多种方式塑造地表。它们有助于驱动构造板块的水平运动，但也抬升和降低了大陆。也许最令人感兴趣的发现是，深地幔中的运动滞后于构造板块的水平运动。古代板块边界的位置仍然可能在数百万年后对地表的形状产生影响。
随着观察地幔的新方法和模拟其运动的技术的引入，我们观察地幔对流和板块构造动力学的能力将迅速扩展。更高分辨率的地震图像也将在揭示今天地幔的样貌方面发挥关键作用。一项获取此类更高分辨率图像的计划于去年启动。该计划名为 USArray 项目，它部署了 400 个地震仪，这些地震仪在全国范围内漫游，旨在提供美国下方地幔上部 1,300 公里的 80 公里分辨率视图。
在未来十年内制作前所未有的地幔图像和测量结果的计划，以及使用越来越强大的超级计算机，预示着破译地球内部动力学的未来将异常光明。通过将行星的最大区域（地幔）视为具有地质历史的岩石块，地球科学家已经在理解地表地质变化的最终原因方面取得了非凡的飞跃。
作者 迈克尔·古尔尼斯 是一位地球物理学家，他对板块构造和地球内部的动力学感兴趣。自从他 25 年前开始作为本科生学习地质学以来，这些控制地球历史的物理过程就一直让他着迷。古尔尼斯现在与他在加州理工学院的研究小组一起开发计算机程序，模拟地幔不断变化的运动，并揭示这些运动如何塑造了地球随时间推移的形状。古尔尼斯还领导着一项全国性工作，为美国的地球物理学研究开发下一代模拟软件。