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漫话内波(六)莫霍面内波说和地幔对流说的比较

已有 7513 次阅读 2011-10-24 19:39 |个人分类:大地构造|系统分类:科普集锦|关键词:地幔对流说,莫霍面内波说,槽台说,全球构造运动,界面动力学,圈层相互作用| 地幔对流说, 莫霍面内波说, 槽台说, 全球构造运动, 界面动力学

 

全球大地构造运动的动力来源和物质运动的实体机制是地球科学的核心问题,但迄今为止仍无满意答案。

马宗晋院士在19892007年,两次对地球动力学现状作评价:“无论狭义还是广义,任何一种合理的地壳动力学或地球动力学假说,至少要满足以下一些条件:①能对全球的构造特征及其空间分布规律和构造演化过程作出解释;②所依赖的动力因子既有足够的能量,其作用方式又能合理地说明构造变形场的特征;③应符合物理学的基本原理和地球内部物质的物理-化学性质。从这些判别条件看,迄今还没有一种地球动力学假说是完善的。

“地幔对流”是当前地球动力学动力源的主流假说,但这一假说也不完善并存在诸多问题。

有没有可替代地幔对流说的竞争性假说呢?

推动全球大地构造运动的实体机制应该是具有全球尺度的物理过程。壳-幔界面内波运动就是具备这样条件的物质运动实体机制。能否与地幔对流说竞争,就看两者在以下几方面的(能力或潜力的)比较了。

 

1)地幔对流说及壳-幔界面内波说概念的提出:

地幔对流的直观概念来自加热的粥的启示。关于地幔可能像粥一样在地下热对流的概念早在1881年就为费希尔(O.Fisher)在《地壳物理学》一书中提出。20世纪30年代,英国地质学家霍姆斯(A.Holmes)重提地幔对流说,企图以此解释大陆漂移的驱动机理。到60年代,地幔对流成为解释海底扩张和板块大地构造学说的理论支柱。

 

莫霍面内波假说是根据野外地质学家对地槽造山带活动总结的现象规律加以分析、并根据重力均衡原理由地表高程追索莫霍面深度,再由物质运动的连续性特性推断得到。(池顺良、骆鸣津、杨洪之、钟荣融,大地构造和海陆起源的内波假说,地壳形变与地震,19961997161-3期))

 

2)两种假说企图解释内容的差别:

魏格纳在病床上看到大西洋两岸岸线相似提出大陆漂移说。魏格纳时代地质学已搞清大陆地质活动的现象规律并总结出槽台说,但魏格纳并未将解释大陆地质地槽活动现象背后的实体机制和寻找驱动力源为研究目标。

地幔对流说,目的是解释大陆漂移的驱动机理。以后以解释全球板块运动为主要目标。因为忽视大陆地质揭示的现象规律,从海洋地质出发建立的板块说登陆失败也是预料中事。板块说及地幔对流说对大陆内部造山运动的解释也以失败告终。

中国地质大学李德威教授指出:“板块构造学说对复杂的大陆地质现象几乎无能为力,并与许多大陆地质事实发生明显的、严重的冲突……板块碰撞造山已成为大陆造山带极为流行的模式,但是,碰撞造山说与大量地质现象矛盾……”资深地质学家赵宗溥更是疾呼“碰撞造山说法,根本是没有地质事实根据的臆说。”“碰撞造山之说,愚诬之学;无稽之言,不可听”。

板块说、地幔对流说,是从海洋地质出发的全球构造运动理论。但板块登陆的失败,大陆地幔深根的发现、洋底找到年龄远超2亿年的古岩层,学说陷入困境。

 

板块说提出时,经典地质学已建立起大陆演化的现象论认识-槽台说,大陆地质仍是目前人类了解得最详细的。按照认识论规律,莫霍面内波说首先以寻找地槽活动普遍而具特征性的现象规律出发,寻找这些现象背后的物质运动实体机制,发现这是莫霍面内波活动和演化的结果。根据波动运动波长分级的概念,推测更大尺度的全球规模现象(海陆分布、全球大洋中脊体系)应是内波活动的长波过程,区域性地槽活动则属于短波过程。

内波说是从大陆地质出发,再走向海洋的全球构造运动及其演化的动力学假说。池顺良,地壳运动力源探索,东北地质1977年)池顺良、骆鸣津,海陆的起源,地震出版社 2002年)

 

大陆地质搞清的构造运动主要运动学事实是:

        构成大山脉的地层都是在原先不断沉降的槽地中沉积的地层回返抬升形成的。这种先沉降后隆起成山脉的构造运动被称为地槽活动。一个完整的下降沉积-回返隆升成山过程称为一个构造旋回。

       地史上全球连续不断出现造山造陆的构造运动旋回。如古生代的加里东运动、中生代的海西运动和新生代的阿尔卑斯运动。

       大陆通过边缘地槽活动不断增生扩张,玄武岩不断从地幔中分异,陆壳平均厚度逐渐增厚。

地槽活动贯穿全球构造运动始终,是构造运动的核心过程。槽台说具有发展成全球构造理论的潜力。

北美地质概略格局和年龄比较图,数字为地质年龄,单位:十亿年。北美大陆围绕古陆核,通过边缘地槽活动不断增生扩张。(图片引自Wyllie,动力地球学)

 

欧州大地构造发展演化略图,图中黑色条带为阿尔卑斯地槽造山带,北面是俄罗斯古地台。

以俄罗斯古地台为核心,通过加里东地槽带、海西地槽带、阿尔卑斯地槽造山带活动,欧洲大陆逐步扩张。最新的阿尔卑斯地槽造山带活动将欧州大陆与非洲连接。

 

围绕西伯利亚地台地槽活动向南扩张形成中国大陆(黄汲清、任纪舜,中国大陆构造及其演化,1980

 

可见槽台说已描绘出了全球大陆的生长形成过程,已具有全球构造理论的格局和框架,需要的是在此基础上搞清运动现象背后的物质运动实体机制及驱动力源,并以此为基础再向大洋扩展,建成真正的全球构造动力学理论。池顺良、骆鸣津,海陆的起源,地震出版社 2002年)

 

3)对“地幔分异”的不同看法

对流与分异是两种不相容的过程(在对流发生的范围内物质被搅拌均匀;在分异的密度分层体系中则不能发生对流)。板块说将地幔对流作为动力源,必然忽视地幔分异作用,以至对“大陆地幔根”这样极明显的地幔分异现象会视而不见。“大陆地幔根”这一重要发现使地幔对流及大陆漂移、板块运动说受到沉重打击。如何让具有深地幔根的大陆漂移成为摆在板块说面前的难题。

 

莫霍面内波假说既重视地壳构造运动的动力来源和运动的实体机制,同样重视地壳物质的由来和成分的演变。地震层析发现高波速的“大陆地幔根”后,卫星重力再次发现“大陆地幔根”是该处地幔密度高于周围地幔的结果。“大陆地幔根”现象为两种不同原理的观测技术确定,是地球科学的重大发现,应给予高度重视。

内波说则从中看到大陆下部地幔分异出轻质玄武岩浆上升形成古地盾大陆地壳,留下高密度大陆根而被我们现在观测到。池顺良、骆鸣津,大陆根成因探讨,地球科学—中国地质大学学报 2001年)

地幔分异出轻质玄武岩浆形成古地盾地壳,留下高密度大陆根。三维地震层析发现大陆根现象。波速扰动大于2%的高速体位于各大陆古地盾下方,深达400公里以上。图示横切北美古陆核的层析剖面图。 Grand1987

 

太古宙陆核的分布及全球P波高波速异常区对比图,Fukao 最早指出高波速区与古陆核分布吻合,但未指出其大地构造学意义。

 

高波速大陆根存在是普遍现象。加拿大-格陵兰地盾、西伯利亚-北欧地盾、西澳大利亚地盾、南美地盾、非洲地盾都存在高波速大陆深地幔根。

由卫星重力与大地水准面数据得出地球内部密度异常的分布。高密度异常区与地震层析高波速异常区吻合。南美和澳大利亚大陆下部密度异常最高,可达到+0.016/立方厘米。这些异常,上地幔中较显著,在300-400公里深度以下,异常渐渐消失。(方剑、许厚泽,2000

从地幔岩中可分异出7%~12%玄武岩浆,上地幔岩的密度为3.25/立方厘米,分异后密度为3.29/立方厘米(邓晋福,19960.016/立方厘米正密度异常相当于分异出5%玄武岩浆。从300公里深上地幔正密度异常区中分异出玄武岩浆可形成约15公里厚地壳。

古大陆已经存在了2030亿年,上地幔玄武岩浆分异上升经过约200公里路程到达大陆地壳底部。由此可以估计,上地幔岩晶间缝隙中的玄武岩浆分异上升的平均速率约0.1毫米/年。

大陆就是这样从大陆地幔根中由玄武岩浆不断分异集聚生长出来,以后再经历各种复杂的地质演化过程。

大陆生长中地槽活动对上地幔的扰动使排气、排液通道相对通畅,反过来又促进了玄武岩浆分异加速大陆生长。

 

4)工作的规模和深度

地幔对流说从上世纪70年代后引起地学界极大关注。地质、地球物理、力学、计算数学方面一批学者投入地幔对流理论和数值模拟研究,取得大量成果。对各种设想的对流模式进行了分析、判断。以下是三种设想中的地幔对流样式。

 设想中的三种地幔对流模式:全地幔对流;上、下地幔分别对流;地幔柱与混合式对流。

 

下图是又一种设想的对流模式。

  又一种设想的地幔对流模式,类似的对流模式已难胜数。

 

尽管提出了各种对流模式却始终不能阐明地幔对流是如何推动板块运动的。对业外人士来说,只要看到还在不断提出五花八门的对流方案就可知道,想靠地幔对流机制解决全球大地构造运动的动力来源问题,看来是前途渺茫!

 

莫霍面内波假说只有国内少数几位地球物理、地质、大地测量方面研究人员参与探讨、研究。从1996年正式提出(第30届国际地质大会,刊登在“板块构造之外的构造理论专题”中),2002年出版《海陆的起源》专著(可能是这类著作不好卖,书出版了但新华书店不给上架!),2010年在本人博客上又做介绍,终究影响极为有限。理论工作的深度也很浅,在数学、力学方面还需深入;只做了二维地槽造山带初期演化的有限元数值模拟,第一次给出沉降带在这种机制下可以沉降万米以上,沉降与隆起区地面高程差2000米以上的宝贵结果,且引入参数数量少,数值合理。(国外学者为此提出过沉积负荷、地壳拉伸、相转换、对流等数十种机制,但无一能成立。)

考虑剥蚀搬运负荷重分布的二维壳-幔地槽演化模型。计算由厚薄大致均匀的地壳系统开始,时间步长为 0.6万年。图中给出了开始时刻和60万年、120万年时的地壳结构。图中显示了两条沉降带和三条隆起带,形成的地面高差可达 2000米。地壳结构的演变,完全是在重力、莫霍面内波成波力和剥蚀搬运作用三种现实的动力因素下进行的。

 

全球规模的长波演化过程因条件所限还未进行计算机模拟。

  

5驱动能源不同,预期的全球构造运动强度分布不同。

地幔对流消耗的能量来自地球深部的热能。热能驱动机制不受地球自转影响,全球构造运动的强度分布应无纬度效应。

莫霍面内波的生长依赖壳、幔圈层间潮汐应力的传递激发内波生长。消耗的能量来自地球因潮汐能耗散而自转减速。潮汐应力与纬度有明显的关系,内波机制导致的全球构造运动强度分布必定有明显纬度效应。(池顺良,潮汐在地壳运动中的作用,地震学报19932期)

实测全球构造运动强度分布具有明显纬度效应,表明全球构造运动与地球自转有关,支持内波说(或其它自转能源假说),不支持地幔热对流说。池顺良、骆鸣津,固体地球中的潮汐机械能流,地震学报19922期)

以地震发射能量表征构造运动强度,则单位陆地面积地震能量发射强度具有明显的

纬度分布特征:两极地区无地震活动,活跃区在中纬度带。(统计了18971980

8357级以上大地震释放的能量)

 

以上从5个方面比较两种全球构造运动动力机制的差别,表明莫霍面内波动力机制有相当优势,值得进一步探索发展研究。

全球大地构造运动的动力来源和运动实体机制是地球科学的核心问题。中国想要成为地球科学强国,我国地球科学在理论探索上要有重大突破,必须有全球眼光,不能仅跟踪国外学者思路而要大力提倡根据地质和地学实践从全球角度独立思考(汪品先,2002“地幔对流”、“板块运动”、“大陆深俯冲”这些概念全出自国外学者头脑,我们只是接力者而不是创造者。相信国人自己提出的全球构造运动莫霍面内波运动驱动新概念一定会得到关心和支持。

2000中国科学院知识创新试点工程启动,地球科学领域遴选出前沿领域11项,位列第一的前沿研究领域是:地球内部重要界面动力学及其圈层相互作用。地球各圈层之间相互作用问题及界面动力学问题已引起地球科学高度重视。

地球各圈层之间最强的相互作用就是潮汐应力通过界面的传递作用。由通过壳-幔界面(莫霍面)的潮汐机械能流(应力与位移的张量积)居各项能流之首(潮汐机械能流0.1Wm2;热能流0.06Wm2),可知这种应力的传递就像风吹过水面,河水冲在沙面上一样,一定会使原本平坦的莫霍面生长出各种波长的内波。因地壳均衡原理,地表就会发生沉降和隆起,直到形成与莫霍面起伏呈镜像对称的地面起伏。地面起伏的幅度大致是莫霍面起伏幅度的四分之一,足以造成地球上最高耸的山脉及最深的海沟。内波系统中蕴藏的能量足够全球地震活动100万年所需。但这个巨大的能量库在全球大地构造运动中的重要作用,仍未引起主流地球科学家们的注意-原因大概与海洋内波长期未得到海洋学家关注相同吧。

莫霍面内波机制揭示出了构造运动的波动运动性质。打个比方,这就像物理学中引入了物质波的概念,人们对物质运动的认识就前进了一大步。

年轻人都来关心莫霍面波动吧,因为正是这种机制创造了人类赖以生存的陆地、海洋和山脉、平原。我们没有理由不关心她!



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