研究结果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。
由移动的构造板块塑造的巨大裂谷
图尔卡纳裂谷横跨肯尼亚和埃塞俄比亚，绵延约500公里，是更大的东非裂谷系的一部分。这一巨大系统从埃塞俄比亚东北部的阿法尔洼地一直延伸到莫桑比克，将非洲构造板块与阿拉伯板块和索马里板块分隔开来。在图尔卡纳地区，非洲板块和索马里板块正以每年约4.7毫米的速度缓慢分离。
随着这种分离的发生，一个称为“裂谷作用”的过程侧向拉伸地壳。应变导致地表弯曲和破裂，使得来自地球深处的岩浆向上涌升。
并非所有裂谷都会将大陆完全分裂。然而，在这种情况下，图尔卡纳裂谷似乎正走在这样的一条道路上。
科学家探测到出乎意料的薄地壳
“我们发现该区域的裂谷作用比任何人认识到的都要更先进，地壳也更薄，”研究第一作者、哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站（隶属于哥伦比亚气候学院）的博士生克里斯蒂安·罗恩说。“东非在裂谷作用进程上比之前认为的更进一步。”
为了得出这一结论，罗恩和同事分析了一组罕见的高质量地震数据，这些数据是与行业合作伙伴共同收集的，并与已故古人类学家理查德·利基创立的图尔卡纳盆地研究所合作完成。通过研究声波如何穿过地下层并将这些结果与其他成像方法相结合，团队绘制了沉积物结构图，并确定了裂谷下方地壳的深度。
沿裂谷中心，地壳厚度仅约13公里。在更远的地方，厚度超过35公里。这种巨大的差异指向了一种被称为“颈缩”的过程。
“颈缩”预示着关键的构造阶段
这个术语描述了地壳如何在中间拉伸和变薄，类似于一块盐水太妃糖被拉开时形成的狭窄“颈部”。随着地壳变薄，它也变得更脆弱，使得裂谷作用更容易继续。
“地壳越薄，就越脆弱，这有助于促进裂谷作用的持续，”罗恩说。最终，地壳可能会完全断裂。
“我们已经达到了地壳破裂的那个‘关键阈值’，”拉蒙特地球物理学家、该研究的合著者安妮·贝塞尔说。“我们认为这就是它更容易分离的原因。”
即便如此，这些变化也是在巨大的时间尺度上展开的。图尔卡纳裂谷开始张开于约4500万年前，研究人员估计颈缩作用是在约400万年前广泛的火山喷发后开始的。可能还需要几百万年才能进入下一阶段，即“海洋化”。在那个阶段，岩浆将穿过裂缝上升形成新的海底，来自北部的印度洋的海水最终可能会涌入。
早期失败裂谷作用的证据
团队还发现了早期裂谷事件的迹象，该事件并未导致大陆的完全分裂。相反，它使地壳变得更薄、更脆弱，为当前的活动阶段奠定了基础。
“这挑战了一些关于大陆如何分裂的更传统的观点，”罗恩说。
由于图尔卡纳裂谷是已知第一个目前正在经历颈缩作用的活跃大陆裂谷，它为科学家提供了一个研究构造演化这一关键阶段的难得机会。
“本质上，我们现在拥有了前排座位，可以观察一个从根本上塑造了世界上所有裂谷边缘的关键裂谷阶段，”同样来自拉蒙特的合著者福拉林·科拉沃勒说。这些过程与其他地球系统密切相关，帮助研究人员重建过去的景观、植被和气候模式。“然后我们可以利用这些知识来了解未来会发生什么，即使在较短的时间尺度上，”贝塞尔说。
重新思考人类演化的化石记录
这些发现也为该地区非凡的化石记录提供了新的线索。图尔卡纳裂谷已产出了过去400万年中超过1200块人族化石，约占非洲此类发现总数的三分之一。许多科学家长期以来将该地区视为人类演化的一个关键中心。
罗恩和同事提出了另一种可能性。
在约400万年前广泛的火山活动之后，颈缩作用的开始导致裂谷内的陆地沉降。这种沉降创造了细粒沉积物快速堆积的条件，这对于保存化石非常理想。
“条件适宜保存连续的化石记录，”罗恩说。
这意味着图尔卡纳裂谷作为人类祖先演化的地点可能并非独一无二地重要，而更像是一个地质条件使其更容易记录他们历史的地方。
这一观点仍然是一个假设，但它为研究开辟了新途径。“但其他研究人员现在可以利用我们的结果来探索这些想法，”罗恩说。“此外，我们的结果可以输入到与气候耦合的构造模型中，以真正探索变化的构造和气候如何影响了我们的演化。”
研究团队还包括来自西华盛顿大学的保罗·贝特卡和来自剑桥大学的约翰·罗恩。