比珠穆朗玛峰高100倍：核幔差异旋转和核幔边界热幔柱喷发

                  杨学祥，杨冬红（吉林大学）

       关键提示：

近期科学探测发现，在地幔底部附近两个大陆大小的热压岩石团。它们被科学家称为巨大低剪切波速度区(Large low-shear-velocity provinces，LLSVPs)，因为地震波经过这些区域时会减慢速度，但地质学家通常只称它们为“小块或者斑点”。这两个斑点开始于地球表面数千英里以下，在那里，地球的岩石下地幔与熔融的外核相接。一个斑点潜伏在太平洋深处，另一个在非洲和大西洋部分地区的下面（与图3的巨大火成区有很好的对应关系）。

LLSVPs是地球最下层地幔(地球外核周围区域)部分的特征结构。这些省区以慢横波速度为特征，是由深部地震层析发现的。它们从地核-地幔边界向两侧延伸数千公里，垂直方向可能高达1000公里。这些区域约占地幔体积的8%(地球的6%)。llsvp的其他名称包括超井、热化学桩或隐蔽储层，科学家还在其下面发现了多个地幔柱。

通过资料分析和模型计算，1996年我们得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。

重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为地幔流动和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。

计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

积累在核幔边界的低密度热幔柱，集中在地球赤道附近核幔边界（见下图），上升喷出地表后形成巨大火成区，导致全球变暖和大规模生物灭绝。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图1-2）。

图1  巨大火成区和全球变暖

Fig 1  Large igneous provinces and global warming

图2  巨大火成区的规模比例

Fig 2  The proportion of the large igneous provinces

120Ma前海底地幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[35]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上^[37]。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。

最近发现在15~20Ma前南极的夏季温度要比现在高出大约11℃，最高可以达到大约7℃。这一南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度^[38]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图1-2）。

在过去的20年中，研究人员搜集了有关古新世—始新世（5500万年前）最热现象（PETM）的数据。在PETM期间，地球的表面温度在1万年的时间里上升了9℃，而这一事件的起始温度要高于地球目前的气温。地球的温度在这一较高水平上一直持续了近10万年。在PETM期间，大气中的气体浓度上升了约700 ppm（百万分之一），即从1000 ppm升至1700 ppm——这比现今的385 ppm高出了4倍之多。据估计，温室气体的大量灌入形成了这一气温峰值。然而一项新的分析结果似乎并不能完全支持这一假设。研究人员模拟了在PETM期间，大气的灵敏度增加到翻一番的二氧化碳水平——2000 ppm，地球温度会发生何种变化。最终的结果显示，这些二氧化碳最高可以使温度升高3.5℃。这就意味着还有一些其他的因素使地球的温度升高了5.5℃。这一无法解释的变暖现象使人们对究竟是什么导致了重大且快速的气候变化的认知存在着一个缺口：二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因^[39]。

事实上，5500万年前的温度峰值与北大西洋边缘的巨大火成区同时出现，后者喷出的熔岩为哥伦比亚溢流玄武岩体积的3倍多。1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌^[35]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。图3中可以看到，巨大火成区大部分处于海洋及其边缘，喷发物被海水过滤，减少火山灰降温作用，增强温室气体增温作用。海洋被加热，释放大量温室气体，两种因素都导致气温升高。

图3 全球巨大火成区

Fig 3 Global large igneous provinces

在地球46亿年的岁月里、一共经历了五次生物大灭绝事件，五次生物大灭绝都是由地球本身的巨变而引起的。超级火山喷发的巨大威力，人类是无法达到的，也是无法阻止的。15百万年哥伦比亚河溢流玄武岩喷发导致南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约1640万~1570万年。65百万年德干暗色岩喷发导致恐龙灭绝和全球变暖；发生在2.5亿年前的这场最大规模的灭绝事件是西伯利亚暗色岩的杰作。这三次生物灭绝都源自超级火山喷发（见表1）。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1166759.html

表1  火山喷发与生物灭绝

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比珠穆朗玛峰高100倍！地球深层地幔中隐藏着如此巨大的存在！

原创万物科学1小时前

作为在地球上生存的生物，人类似乎已经渐渐淡忘了我们“房东”的存在，只知道一味的索取，与此同时还不忘向太空发展，以此谋求更多的资源。但是其实对于地球，或许人类了解的并不完全，甚至说只是皮毛，对于地球内部的神秘，人类需要大量的时间去研究考证。

比如我们今天的主角，在地幔底部附近两个大陆大小的热压岩石团，它们的存在可能会颠覆你的想象。它们被科学家称为巨大低剪切波速度区(Large low-shear-velocity provinces，LLSVPs)，因为地震波经过这些区域时会减慢速度，但地质学家通常只称它们为“小块或者斑点”。

LLSVPs是地球最下层地幔(地球外核周围区域)部分的特征结构。这些省区以慢横波速度为特征，是由深部地震层析发现的。它们从地核-地幔边界向两侧延伸数千公里，垂直方向可能高达1000公里。这些区域约占地幔体积的8%(地球的6%)。llsvp的其他名称包括超井、热化学桩或隐蔽储层，科学家还在其下面发现了多个地幔柱。

也就是说大约在你的脚和地球中心之间，两座大陆大小的热压岩石大山穿透了地球的内部，这两座热岩山的高度超过珠穆朗玛峰100倍，而科学家对它们几乎一无所知。

虽然地球物理学家从20世纪70年代就已经知道了这些团块，但今天他们对它们的了解还远远不够。“它们是地球内部最大的生物之一，”马里兰大学的地质学家韦德·莱克克告称，“但我们真的不知道它们是什么，来自哪里，存在了多久，或者它们做了什么。”

这一点是显而易见的，这两个斑点开始于地球表面数千英里以下，在那里，地球的岩石下地幔与熔融的外核相接。一个斑点潜伏在太平洋深处，另一个在非洲和大西洋部分地区的下面。它们非常巨大，在地幔的一半处刺穿，测量长度和大陆一样长。根据邓专家的说法，每一个斑点的高度都是珠穆朗玛峰的100倍，如果它们位于地球表面，国际空间站将不得不环绕它们航行，真的算“高耸入云”了。

科学家称这些小块巨大的、层叠的存在就像相互连接的砂砾坑，但它们的密度是比周围的地幔低还是高，仍然是科学家们争论的焦点。

同样神秘的是，这些团块如何影响板块构造和火山活动等地质功能。早先科学家认为这些团块的尖端可能会分支成热物质的羽状物，与地表下的火山热点发生摩擦。这是什么意思？没有人知道。要想更好地理解地球中心附近的谜题，可能还需要几十年的时间。幸运的是，这些小家伙似乎哪儿也去不了，只能默默地在地球内部继续“暗无天日”了。

https://www.tropicaltidbits.com/analysis/ocean/nino34.png

地球内核变速旋转：起源于重力分异和角动量交换

已有 2395 次阅读 2013-5-14 05:51    

地球内核变速旋转：起源于重力分异和角动量交换

                                                    杨学祥

澳大利亚的一项新研究发现，地球内核自转的速度很有意思，它与地幔、地壳等其他部分的自转速度是不一样的，而且内核自转的速度本身也有快有慢。地球由内而外依次是地核、地幔和地壳。其中地核又分内核和外核，内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被液态铁镍合金等元素组成的外核包围。澳大利亚国立大学13日发布的新闻公报介绍说，该校研究人员的最新研究成果发现，总体而言地球内核的自转速度比地幔要快，平均每年快0.25至0.48度。此外，内核转速还表现出一种“十年波动”。例如，在上世纪70年代和90年代，出现明显的加速期，转速高于其平均值，但在中间的80年代时，会转得慢一些。研究人员还说，地球内核自转很可能在过去几年出现了明显的加速，但这一点还需进一步观察研究才能确认。

通过资料分析和模型计算，我们得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。

重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为地幔流动和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。

计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

同济大学海洋与地球科学学院周怀阳教授作为第一作者，与美国伍兹霍尔海洋研究所迪克教授，近日在《自然》杂志上联合发表了题为《支撑马里安隆起亏损地幔的薄洋壳证据》的论文，对沿用40多年的“地幔羽”假说提出挑战。这是地质学领域研究的一个重要突破。

“地幔羽”假说认为，地幔内部温度的局部异常导致大规模岩浆涌出地表，形成隆起或海山，隆起或海山代表了较厚的地壳或洋壳。而周怀阳团队通过地质取样发现，在西南印度洋洋中脊上，有一块绵延3100公里长、大小与冰岛隆起大致相当的马里安隆起地表，那里广泛分布有通常被认为代表地幔的橄榄岩。在马里安隆起东段的53°E洋脊段上，有约3200平方公里的区域几乎完全缺失洋壳，地幔如同一只剥了壳的鸡蛋，直接出露于地表。他们经过细致甄别和论证后认为，马里安隆起的洋壳很薄，十分不均匀；造成马里安隆起的主要原因是地幔的成分异常，而不是地幔内局部的温度异常。周怀阳指出，部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起；而地幔的亏损原因则可追溯到1.8亿年前南极板块和非洲板块分离时发生的大规模火山作用或甚至更早的地质历史事件。

我们的计算模型表明，重力分异造成的地球物质的成分差异和核幔角动量交换导致的地球物质的温度差异，是地幔流动的两大动力，具有同等重要的作用。

部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起，这是重力分异作用的重要证据。

相关报道：

地球内核自转速度并非恒定

2013年05月14日00:53    来源：科技日报  

　　新华社堪培拉5月13日电（记者王小舒）地球在自转。澳大利亚的一项新研究发现，地球内核自转的速度很有意思，它与地幔、地壳等其他部分的自转速度是不一样的，而且内核自转的速度本身也有快有慢。

　　地球由内而外依次是地核、地幔和地壳。其中地核又分内核和外核，内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被液态铁镍合金等元素组成的外核包围。

　　澳大利亚国立大学13日发布的新闻公报介绍说，该校研究人员的最新研究成果发现，总体而言地球内核的自转速度比地幔要快，平均每年快0.25至0.48度。

　　此外，内核转速还表现出一种“十年波动”。例如，在上世纪70年代和90年代，出现明显的加速期，转速高于其平均值，但在中间的80年代时，会转得慢一些。

　　研究人员还说，地球内核自转很可能在过去几年出现了明显的加速，但这一点还需进一步观察研究才能确认。

　　长期以来，科学界一直假设地球内核是以一个不变的速度在自转。这项新研究的负责人哈维耶·塔尔西克认为，这种假设是因为科学界之前缺乏合适的数学分析方法。

　　他们此次使用了一种新方法对过去50年的“地震对”进行分析。所谓“地震对”，又叫“相似地震”，通常是两次各个参数都几乎一样的地震，包括地点、波形等，只是时间上可能相隔几个星期，也可能相隔数十年。

　　“地震对”的两次地震的地震波穿越地核，波形会有细微差异，正是根据这种差异，研究人员才推算出地核自转速度的变化趋势。他们称，这种分析方法相当于在不同的时间给地球内核拍“快照”。

　　塔尔西克称，这项研究是第一次在实验数据的层面上证实了地球内核以非恒定的速度自转。这将有助于人类理解地核以及地球磁场。相关研究论文发表在新一期英国《自然—地学》杂志上。

(来源:科技日报)

http://scitech.people.com.cn/n/2013/0514/c1057-21467470.html

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-689729.html 

参考文献

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2.     杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45(增刊): 33-42. Yang X X, Chen D Y. The Volcanoes and the Astronomical Cycles. Geological Review (in Chinese), 1999, 45(supper): 33-42.

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8.     杨学祥, 陈震, 刘淑琴等. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应. 地学前缘, 1997, 4(1): 187-193.Yang X X, Chen Z, Liu S Q, et al. The discovery of fast rotation of the earth’s inner core and orbital effect of global changes. Earth Science Frontiers (in Chinese), 1997, 4(1): 187-193.

9.     杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学. 长春: 吉林大学出版社, 1998, 2, 27-33,79,120-122, 196-198.

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10.   杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.Yang X X, Chen D Y. Study on cause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (in Chinese), 2013, 28(4): 1666-1677.

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13.     杨冬红, 杨学祥. 澳大利亚夏季大雪与南极海冰三个气候开关. 地球物理学进展, 2007, 22(5): 1680-1685.Yang D H, Yang X X. Australia snow in summer and three ice regulators for El Nino events. Progress in Geophysics (in Chinese), 2007, 22(5): 1680-1685.

14.     杨学祥, 张中信, 陈殿友, 等. 地核能量的积累与释放. 地壳形变与地震.  1996, 16(4):85-92. Yang X X, Zhang Z X, Chen D Y, et al. Energy accumulation and liberation in earth’s core (in Chinese). Crustal Deformation and Earthquake. 1996. 16(4): 85~92.

15.     杨学祥, 陈殿友. 热幔柱构造与地核热能.  地壳形变与地震. 1996, 16(1):27-36. Yang X X, Chen D Y.  Mantle plume tectonics and thermal energy of the core (in Chinese). Crustal Deformation and Earthquake. 1996. 16(1): 27~36.

16.  Song X D, Richards P G. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core. Nature, 1966, 382: 221-224.