香港坐落史前超级火山上：温室效应和巨大火成岩省的关系 

杨冬红^{1, 2}, 杨学祥³

1 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春  130026

2 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春  130026

3 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春  130026

摘  要  最近的一项研究发现，沿南极冰岸地区在15~20 Ma以前，夏天的温度比现在高11℃，达到了7℃，与当时的二氧化碳浓度(当时约在400—600 ppm)有关，与该期间火山喷发事件和地球自转增速相对应。进一步的研究表明，温室气体来自巨大火成岩省，这种对应关系在1.20 Ma以来反复出现4次。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，在质量向地心集中的同时，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。圈层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，为热幔柱和火山活动提供了能源和动力。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气候变化的重要原因和动力。海底火山喷发不仅产生温室气体，而且增高海温，是人为排放的温室气体不能替代的。

关键词  温室效应，巨大火成岩省，重力分异，差异旋转，角动量交换

1  引  言

最近一项研究发现，南极大陆在远古时期的环境要远比原先设想的更加温暖潮湿。在15~20 Ma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16.4~15.7 Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600 ppm的大气CO₂浓度^[1]。大气温度升高与温室气体的增加一一对应，这是温室理论产生的事实根据，一个重要问题是，大气温室气体的浓度是由什么因素控制？进而影响全球气候变化。研究表明，核幔边界的超级热幔柱活动是温室气体增加的重要原因之一，它受控于核幔边界的角动量交换^[2]。

2  巨大火成岩省

已有的研究表明，陆地和海洋含碳量远高于大气，存储在海洋中的碳只要释放2%，就将使大气中的CO₂含量增加一倍^[3]。白垩纪大气碳含量是目前的8~10倍^{[4, 5]}，末次冰期高峰时大气CO₂和CH₄含量分别比现在减少30~40 %和50 %^[6]。构造运动释气和海洋增温排气是主要原因^[5]。

图1  全球巨大火成岩省

图 2  巨大火成岩省和全球变暖

巨大火成区大小比较

图3  巨大火成岩省的规模比例

火山活动是大气温室气体的主要来源。据Gerlach的估算，全球陆相火山以宁静方式放出CO₂的速率为每年792 百万吨，而陆相火山喷发出的CO₂的速率仅为每年66 百万吨^[7]。前者是后者的12倍多。宁静方式火山放气没有明显的火山灰，其增温效果显著。据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果表明，巨大火成岩省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气温和大气CO₂高浓度相对应（图1, 2, 3）^[8]。

120 Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶ J，海洋的质量为1.45×10²⁴ g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[4]。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^[9]。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15~20 Ma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16.4~15.7 Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600 ppm的大气CO₂浓度^[1]。15~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的重要原因之一（图2）。

1000 km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹² kg的硫和3×10¹⁰ kg的卤素。一个巨大火成岩省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^[4]。120 Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶ km³，15~18 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶ km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。

3  火山活动强度与地球自转变化的对应性

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应（见图1）^[10]。图2、图3 和图4有很好的对应性。Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化，与图2、图3 和图4的变化趋势基本一致^[11]。20世纪80年代以来第三代全球洋底磁条带图的研究，揭示了地表三大洋底在距今160 Ma（卡洛期末）、139 Ma（凡兰吟期初）和97 Ma（阿尔布期末）前发生过三次几乎同时的重大裂解作用^[12]。

图4  北美火山活动曲线[据Engel and Engel, 1964^[10]

古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，图5给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线^[13]。从图5中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。在15~25 Ma期间，地球自转处于增速阶段，目前处于低谷。

近5亿年来朔望月天数的变化

图5  近5亿年来朔望月天数的变化(据任振球, 1990 ^[13] )

在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应^[14]。

表1  地球自转周期与地质旋回

对比图4和图5 ，两种曲线有相同的变化趋势：火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。表1给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝^[4]。在15~20 Ma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16.4~15.7 Ma。可以对比的是，在15~25 Ma期间，地球自转处于增速阶段，火山活动强烈。这种对应并不是个例，叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO₂的含量十倍于现在；陨石增多^[15]。在此期间，地球自转速度处于峰值。与此相反，437 Ma的奥陶-志留纪大冰期、230 Ma石炭-二叠纪大冰期、2 Ma第四纪大冰期以及25 Ma第三纪变冷期都对应地球自转速度低谷和北美火山活动低谷。

根据地质和气象等综合数据，表2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图4和图5地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据^[2]。

4 重力分异导致地核的能量积累和释放

巨大火成岩省来自核幔边界热幔柱的猛烈喷发（图3）^{[8, 11]}。核幔边界热幔柱喷发的能量又来自何处？理论模型的研究表明，重力分异不仅把一个均匀密度的地球变为密度分层的地球，而且把一个整体自转的地球变为分层差异旋转的地球。在重物质向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地核自转变快，使地壳和地幔自转变慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界成为圈层角动量交换的边界^{[5, 18-20]}。本来重物质向地心集中，地球的转动惯量变小，自转速度应该加快，圈层差异旋转掩盖了这一真相。当圈层角动量交换将部分动能变为热能积累在核幔边界，使外核成为液态物质的同时，地壳、地幔和地核以统一的速度自转，地壳和地幔自转速度变快，地核自转速度变慢，整个地球的自转速度要大于重力分异前的自转速度。这是核幔边界的热幔柱大规模喷发与地球自转加速相对应的原因。太阳风和太阳辐射量的变化可以压缩地球磁场，增强或减弱核幔角动量交换，对核幔边界的热幔柱活动有控制作用（图6）。

两极临近结冰的海水因为密度最大而沉入两极海底，自转离心力将较重的海水推向赤道海底，形成全球巨厚的海底冷水层。由于太阳辐射不能进入这个领域，“冷”被安全地封存在海底。赤道海水表层热水在上、冷水在下，垂直方向只有热传导、没有热对流，这个过程被称为“海底藏冷效应”^[21]。由于内核相对地壳地幔的差异旋转，核幔角动量交换使部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界（赤道处的核幔速度差最大，积累的热能最多，图1中的巨大火成岩省主要集中在赤道附近）。超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候，这一过程称之为海洋锅炉效应^[4]。

海底藏冷效应和海洋锅炉效应

图6  太阳辐射变化、核幔角动量交换和气候变化的关系 ^{[8, 11]}

5  温室效应仅仅是巨大火成岩省的一种作用

巨大火成岩省形成时释放的CO₂是导致全球变暖的重要原因，但是导致全球变暖的巨大火成岩省有多种作用，温室效应只是其中的一种。使海洋底层水增温，这是巨大火成岩省无可替代的致暖作用。巨大火成岩省的海台和洋壳产量在白垩纪是最高的，洋壳产量的最高速度为37×10⁶ km³/Ma（目前的洋壳产量为17×10⁶ km³/Ma）^{[8, 11]}，对海洋温度的提高贡献最大。存储在海洋中的碳只要释放2 %，就将使大气中的CO₂含量增加一倍^[3]。海洋是CO₂的储库。在1 个大气压下，海水温度从0℃ 升高为25℃，每克海水可释放约1 cm³体积的CO₂，释放量与残留量的比值约为1：1。目前全球海洋溶解的CO₂是大气中CO₂的13倍，以此比例，海水升温25℃，大气中CO₂的含量应该增加到现在的6.5倍，这表明白垩纪海洋增温释放的CO₂是大气CO₂浓度增高的主要来源。

近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10-15℃^[6]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[22]，目前为2℃。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库。新洋壳生成和海底火山活动引发的海温升高和海水中CO₂释放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是人为温室效应所不能达到的，因此，这一重要作用值得深入研究。

6  讨论和结论

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应。后者表明火山喷发的CO₂是全球变暖的原因之一。

温室效应仅仅是导致全球变暖的一种因素，在白垩纪时，巨大火成岩省和大洋地壳产量是最多的，其释放的热量加热海水使海水中的CO₂释放到大气，这是人为温室气体所不能替代的。

在距今5亿年以来的地球历史中，火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪表现最为明显，在距今大约16.4~15.7 Ma的中新世中期也很突出。地球各圈层差异旋转和角动量交换使热能和动能集中在核幔边界是其一一对应的原因。

德雷克海峡通道的打通是在始新世和渐新世完成的^[23-25]。白垩纪的最强全球变暖与温室效应和德雷克通道封闭有关；中新世中期的较弱全球变暖与温室效应和德雷克通道打通有关。认真研究这一差别对温室效应影响目前全球变暖的程度非常重要。海底火山喷发不仅喷出大量的温室气体，而且加热了底层海水，消除了使全球气候变冷的“冷源”，使海水中的CO₂大量释放，这是白垩纪发生最强的全球变暖的原因，也是人为释放温室气体所不能替代的。相反，伴随火山喷发的减弱，全球变暖规模逐渐减弱，德雷克海峡的打通使南极变冷，逐渐成为冰盖策源地。忽略海底火山活动和洋壳产量对海温变化的影响，简单地以大气温室气体浓度来判定全球气温变化将产生巨大的误差。

近一亿年间海洋底层水冷却了15℃，大气冷却了10-15℃^[6]，而第四纪冰期到来之时，海洋底层水温度为0℃^[22]，目前为2℃。海洋底层温度变化是大气温度变化的可靠前兆。这表明全球温暖期对应海洋底层水的高温期，全球大冰期对应海洋底层水低温期，海洋底层水是地球储存“冷能”的仓库，如果海洋底层水温度没有提高到一亿年前的水平，全球就不会重现中生代白垩纪的高温期，强潮汐和强震会不断用海底冷水来冷却大气，使气候变冷。

参考文献 (References)

[1]     Feakins S J, Warny S, Lee J E. Hydrologic cycling over Antarctica during the middle Miocene warming. Nature Geoscience, 2012; doi: 10.1038/ngeo1498.

[2]     杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2012, 出版中.

Yang D H, Yang X X. Study and model on variation of Earth’s Rotation speed. Progress in Geophysics (in Chinese), 2012, in press.

[3]     Houghton J. 全球变暖. 北京: 气象出版社, 1998. 30.

Houghton J. Global warming. Beijing: Meteorological Press (in Chinese), 1998. 30.

[4]     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.

[5]     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(2): 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.

[6]     Claude J A, Stephen H S. The evolution of the earth. Scientific American, 1994, 271(4): 44-51.

[7]     Gerlach T M. Present-day CO₂ emissions from volcanoes. EOS, 1991, 72(23): 249, 254-255.

[8]     Coffin M F, Eldholm O. Large igneous provinces. Scientific American, 1993, 269(4): 26-33.

[9]     汪品先, 翦知湣. 寻求高分辨率的古环境记录. 第四纪研究, 1999, (1): 1-17.

Wang P X, Jian Z M. Searching high-resolution paleoenmental records: A review. Quaternary Sciences (in Chinese), 1999, (1): 1-17.

[10]  Engel A E J, Engel C G. Continention accretion and the evolution of North America. In: Advancing Frontiers in Geology and Geophysics. Indian Geophysical Union, 1984.

[11]  Larson R L. Geological consequences of superplumes. Geology, 1991, 19: 963-966.

[12]  Cande S C, LaBrecque J L, Larson R L, et al. Magnetic lineations of the world’s ocean basins. Tulsa, Oklahoma: AAPG, 1989.

[13]  任振球. 全球变化. 北京: 科学出版社, 1990. 25, 26, 60-88.

Ren Z Q. Global Change. Beijing: Scientific Publishing House (in Chinese), 1990, 25, 26, 60-88.

[14]  Whyte M A. Turning points in Phanerozoic history. Nature, 1977, 267: 679-682.

[15]  叶淑华. 人类对地球的新认识. 科学, 1999, 51(1): 25-29.

Ye S H. New understanding pf the earth in the 21^st century. Science (in Chinese), 1999, 51(1): 25-29.

[16]  Steiner J. The sequence of geological events and the dynamics of the Milk Way galaxy. Jour. Geol. Soc. Australia. 1967, 14: 99-131.

[17]  杨冬红, 杨学祥. 灾害频发和地磁减弱的关系. 世界地质, 2011, 30(3): 474-480.

Yang D H, Yang X X. Relationship of frequent disasters with geomagnetic weakening (in Chinese). Global Geology, 2011, 30(3): 474-480.

[18]  杨学祥，陈殿友. 地核的动力作用. 地球物理学进展, 1996, 11(1): 68-74.

Yang X X, Chen D Y. Action of the earth core. Progress in Geophysics (in Chinese), 1996, 11(1): 68-74.

[19]  杨学祥，张玺云. 热幔柱的启动动力. 世界地质, 1996, 15(2): 68-74.

Yang X X, Zhang X Y. Staring power of plumes. Global Geology (in Chinese), 1996, 15(2): 68-74.

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

[21]  杨冬红, 杨德彬, 杨学祥. 地震和潮汐对气候波动变化的影响. 地球物理学报, 2011, 54(4): 926-934.

Yang D H, Yang D B, Yang X X. The influence of tides and earthquakes in global climate changes. Chinese Journal of geophysics (in Chinese), 2011, 54(4): 926-934.

[22]  李四光. 天文、地质、古生物资料摘要. 北京: 科学出版社. 1972. 66.

Li S G. Abstract of datum in astronomical, geological and primitive organism (in Chinese). Beijing: Science Press. 1972, 66.

[23]  Frakes L A. Climates throughout geologic time. Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam-Oxford-New York, 1979. 182, 192, 200, 223, 315.

[24]  Van Andel T H, Heath G R, Moore T C. Cenozoic history and paleooceanography of the central equatorial Pacific Ocean. Geol. Soc. Am., Mem., 1975, 143: 134.

[25]  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.

香港坐落史前超级火山上：1.4亿年前爆发坍塌(1/6)

    新浪环球地理讯 北京时间9月10日消息，据美国国家地理网站报道，中国香港特区政府土木工程拓展署上周宣称，相关机构近日研究发现，香港的大部分区域实际上坐落于一个史前超级火山宽达18千米的火山口遗址上，火山口巨大的面积足以覆盖整个香港。所幸的是该超级火山最后一次喷发发生于1.4亿年前，现在几乎没有任何威胁。

中国香港特区政府土木工程拓展署上周宣称，香港的大部分区域，包括维多利亚湾和一个岩质小岛，实际上都坐落于一个远古超级火山宽达18千米的火山口上。虽然这个超级火山曾经有过几次巨大的喷发，但是它现在对于数百万香港人却并无威胁。香港特区政府土木工程拓展署介绍说，超级火山已经在最后一次喷发中几乎完全坍塌入海洋中，这次喷发距今已有1.4亿年。不过，地质学家丹尼斯-唐在官方赞助的研究中声明，“最大的威胁是对于那些乘船去游览岩石岛的游客们。因为那儿没有任何安保设施确保游客安全登岛。”

http://slide.geo.sina.com.cn/slide_29_16805_17394.html#p=1