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构造与沉积---谁是鸡谁是蛋?

已有 702 次阅读 2021-9-14 01:02 |系统分类:论文交流

      地表物质迁移决定一切,迁移量的大小决定构造活动的强度。地幔柱、地幔对流、板块碰撞、板块拖拽等是构造运动的结果,而不是原因。

1. 引言

      在地球科学中,两个最重要的地质理论地槽学说和板块学说争论了很多年,但其本质问题-地壳运动的驱动力一直没有很好地解决。《Science》2005年列出了当代未解决的125个科学问题(Richard A. Kerr,2005),其中第10项“How Does Earth’s Interior Work”提出,在很大程度上对此驱动力一无所知。
      目前关于地壳运动有多种假说,归纳起来有来自于地球内部的内因、来自于外部的外因两大类。
      来自于地球内部的假说有:地球内部热力、地幔柱、地幔对流、地幔密度异常、固体潮、均衡作用(Airy G. B., 1855)、涌流构造、放射性、板块拖拽力、火山活动、俯冲作用、地球脉动说、羽流说、岩石圈伸展、地球涨缩等。他们认为地表的一切表现均是构造运动的结果。
      来自于外部的因素有:地球自转离极力、行星撞地球、地表过程等。其中地表过程越来越受到重视,阐明气候、潮汐、地下水、风暴、剥蚀等会反作用于岩石圈,但并不是主要因素(Wang,2014)。
      事实上,地球动力学应包含两个方面来看,一是地壳运动的触发因素;二是其驱动力。其中,第一个核心问题“是什么因素能持续地触发地壳运动、能否从地质历史上地壳运动减弱或停止中找到原因”,是本文的核心。近年来,很多学者比较关注板块构造最最初始是如何启动的(Rey,2014; Robert J Stern,2001),但其实板块可持续运动才是最重要的。要想直接证明该科学问题,难度大。于是本文拟采用排除法和类比法,去掉大多数假说,从而遴选得到最优解。

2.来自于雪球地球的启示

      地球周期性地气温变化已成共识,其中雪球地球引起了地学界和气象学界的关注。目前特别关注雪球地球产生的原因及形成的起止时间,却忽略了这期间一个有趣的现象:地壳运动在这个期间极不活跃甚至停滞!在古元古代休伦冰期,缺乏被动的边缘沉降和相对板块运动被抑制,板块运动速度降由9cm/a低降至2cm/a[12](Christopher J. Spencer,2018, Nature Geoscience),为嘛?没人说。Stephan认为造山带的累积长度越长,大陆的碰撞就越频繁(Stephan V. Sobolev, 2019,nature),而古元古冰期和震旦纪大冰期期间造山带长度为0,间接说明了构造活动强度弱。最新的第四纪发生了四次冰期,冰期内几乎没有火山活动(如图1)(刘嘉麒和郭正府, 1998),而在温暖的间冰期,火山活动频繁,均超过8次(图1)。近年来的研究揭示气候和火山活跃程度之间存在明显的联系,即,在间冰期期间,火山活跃程度将会增强(Sigvaldason et a1.,1992; Jellinek et al., 2004)。
      对地壳运动和气候变冷这两个现象的关系,多数学者认为是地壳运动控制着气候变化,这似乎又到了鸡和蛋谁先谁后的死循环了。但更多证据显示,气候变化不是地壳运动引起的(Molnar,1990)。Hays(1976)认为,地球轨道几何学的变化是第四纪冰期演替的根本原因(Hays, 1976, Science文章)。Zachos(2001) 根据深海氧、碳同位素分析认为,新生代以来,气温经历了2次高温和多次冰期多个周期,温差达到20℃;第四纪也经历了4次冰期和间冰期(图1)。显然,几万至几十万年的短时间气候变化,不可能用构造变动来解释, 而气候-地表过程是可以作用于构造的(Zeitler et al.,2001, Willett et al.,2006). Rampino(1997)认为气候的变化会导致地壳的应力变化,例如,冰和水质量的加载和减负,以及轴向和旋转速率的变化,这些变化可能会增加火山(和地震)的潜力。Adams(2017)认为美国的奥林匹克山脉上新世-更新世冰川气候对地形有强烈控制作用。
      因此,前述雪球期间构造活动减弱或停止,往往被反过来说,是构造活动停止导致了雪球事件,把构造当成玉皇大帝,甚至决定气候,此错误天理难容!

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       于是,我们自然会提出疑问,对地壳运动的内因假说而言,如地幔对流、地幔柱,板块拖拽,无论地球是否处于冰期(雪球地球),地表水体是否变成冰,这些假说所提出的地球动力学机制也应该起作用,地球活动强度不应受到抑制。而事实恰恰相反,这些“动力”不给力,或不争气,地球在冰期则地壳运动减弱了,无论冰期很长或较短(2亿年或0.1百万年),只有在温暖的间冰期地壳才恢复较强的活动性。我们自然会思考,水是否起了某种关键抑制作用?水似乎起到了地壳运动的开关的作用,在冰期是关闭状态、在温暖的间冰期是开启状态。
      其它行星是否也有类似情况?Connerney(1999)发现火星南半球古老高地有一组交变磁极性的准平行线性特征(Connerney,1999, Science文章),说明火星曾经存在板块构造。目前因平均气温为-60℃,其地壳运动几乎停止,这相当于 “雪球火星”。在邻近的金星呢,一样!板块构造只在地球上活动,而不在金星等其他行星上活动 (Karato,2014)。行星类比结果可以看出,如果行星根本没有水、水被冻住了,则地壳运动停止或减弱,如金星、月球、现在的火星和冰期的地球;有可流动的水时地壳运动被激活,如现在的地球和过去的火星。因此,可以认为,地壳运动的触发因素可能不是来自于地球内部,而是外部因素。

3.现代地壳活动性的特征

研究还发现,存在着大量的,在更小的时间尺度和空间尺度条件下的地壳活动性,也具有类似的现象。图2(a)为2012-2018年全球MS5.0级以上地震发生的次数随纬度变化的直方图,可以看出两极几乎没有地震发生(洋中脊除外)。到目前为止,仍然有一些重大的地学问题是,如两极地区的板块边界並没有地震(或较少地震),用板块构造的理论是无法解释的(马杏垣,1989)。图2(b)为板块运动速度随纬度变化的散点图(数据来自于马宗晋,2003),其中,在低纬度地区地壳运动速度快,而在两极运动速度慢。图2(c)显示了全球1000年来发生火山喷发的次数随纬度变化的直方图,其中,较冷的南极和北极火山喷发次数少得多。

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2 地壳活动性和纬度的关系

      图2(d)为1901-1985年全球强震活动释放能量在不同时间段的纬向分布 (宋贯一,1999),也显示了相似的规律。
      还有一些时间尺度更小的地壳运动现象,如Westaway(2006)发现了一些季节性地震活动与季节性气候是相关的。我们统计了历史上著名的十多次超大型火山喷发事件,发现在北半球高纬度地区的火山喷发事件几乎发生在温暖的季节,而不是冰冷的冬季。
      从表面上看,温度似乎越低,地壳活动性越弱,温度越高,地壳运动强烈;而其本质是,温度大于0℃后,水能使正地形(高海拔)地区的地层侵蚀掉,由水的流动搬运物质,并堆积在负地形地区,即,表生过程,(或地表过程,新发明的词儿)。有沉积的地方,几乎被称为“拉张断陷”,这几乎成铁律了,因为构造第一位的,是鸡,而沉积是第二位的,是蛋,试问,渤海湾盆地、华北平原是负地形地区,正在拉张吗?全球多少负地形地区,且正在接受沉积(如孟加拉湾、印度河扇、非洲东西两岸、墨西哥湾),也同时在沉降,它们都是在“拉张”?显然不是。黄河绕鄂尔多斯盆地形成的几字型造就了多少个“断陷盆地”,也统统被称为是“拉张断陷”,试问,这种几字型怎么拉?力如何使?套铁律易,动脑筋难。
      高纬度地区侵蚀营力弱,大型湖泊可保存很久,水体较深,如贝加尔湖730米(纬度54ºN);中、低纬度地区侵蚀营力强,大型湖泊易被改造和填平,很难见到水深较深的湖泊,如青海湖平均仅18.6米(纬度37ºN)。图2d为我们根据Syvitski(2008)的成果统计了全球的河流悬浮泥沙入海数量和纬度的关系。可以看出中低纬度物质迁移量大,侵蚀、搬运和沉积等地表过程会使地球表面的物质被重新分配,物质迁移速率高达20600MT/yr。

为此,提出一个假说,在地球表面有物质迁移时,由于重力均衡作用,会存在对岩石圈的某种影响,从而将会触发了地壳运动,且迁移强度越大,构造活动越强烈。

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图3悬浮泥沙量与纬度的关系

以物质迁移强度大小为线索,可以发现并解释很多现象。

1)没有/较少物质迁移的情况。我们将前述泥沙量按各大洲统计得出,欧洲、澳大利亚、非洲泥沙量少,因此地震也少;除洋中脊外的深海地区几乎没有地震、火山和褶皱,因为潮汐和洋流周期性波动并不影响洋壳的稳定性(被奉为圣经的板块理论能解释吗?);大陆隆起地区,如华北平原和美国中东部平原,长期无明显剥蚀和沉积。虽有物质迁移从这一地区路过,但属于“沉积物过路而不堆积”,相对稳定,从而被学者称为“克拉通”或“地盾”,这并非因为其有效弹性厚度较大或刚性强的原因,而是碰巧没有“沉积加载和卸载的外部刺激”。沿途一些土匪会燕过拔毛,因此也会有一些地震发生,如邢台地震(过滏阳河)

2)强物质迁移。青藏高原地区、环太平洋地震带剥蚀作用、沉积作用最强烈,这些地区(亚洲、美洲、印尼)泥沙量多,因而地震、火山频发。 而环太平洋地震带的地震仅限于大陆架和陆坡有沉积物的地区,该地区物质迁移强度大,物源来自于陆上并堆积在大陆架上。

南北半球也能从物质迁移角度分析。从图2、图3可以看出,北半球大陆面积比南半球大一倍,其地壳活动性也强于南半球,因为北半球存在正地形(大陆)时剥蚀作用强烈。

      这些现象说明了地壳运动强度与地表物质迁移强度具有很强的正相关性。这也契合了Zeitler et al.(2001), Willett et al(2006)等人近年来的观点(近年来兴起的地表过程专业),他们认为,气候、地表过程、构造三者之间是可以相互产生作用的,但影响多少,得烟酒烟酒,这些老先生没认识到其本质是地表物质迁移的贡献。


4. 结论

      地壳运动的内部原因:地幔柱、地幔对流、大洋扩张,板块拖拽,弧下深度(80-160 km)大洋岩石圈的重力下沉,这些均是运动的结果,而不是原因。构造(鸡)决定沉积(蛋)的思路该重新思考了!

      本文主张:在地表各种物质迁移活动(包括剥蚀、搬运、沉积等)中,是权重最大的沉积作用(蛋)决定构造运动(鸡)。


      利用上面的思路,这么明显的事实,在申报今年2021年自然科学基金时被专家们拒了,理由:不知道。我至今不敢看,至少有一条,我没相关的SCI。


中国地质大学(北京)能源学院 毛小平 于北京

2021年9月14日

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2 尤明庆 周忠浩

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