最后一次爆发于一亿四千万年前在华南东部尚属首例或将揭开恐龙灭绝之谜

    8月30日，香港土木工程拓展署公布，在香港东南部发现一座古代“超级火山”，这是首次在中国华南东部发现这类火山。它最后一次爆发是在一亿四千万年前，自此成为死火山。

    这座古代超级火山被命名为“粮船湾超级火山”，山体向东倾斜约30度，火山原本的直径约18公里。粮船湾破火山口爆发喷出的火山灰估计超过一万三千亿立方米，相当于在整个香港1000多平方公里陆地面积上覆盖1.3公里厚的火山灰。

    超级火山爆发后，香港万宜水库和果洲群岛形成了奇特的六角形岩柱，目前已成为香港世界地质公园里的一道独特景观。同时，火山的发现对于研究全球气候变化、岩土工程具有重大指导意义，或许还将揭开恐龙灭绝之谜。

    文/图本报特派香港记者李华通讯员彭文昌

 

    9月18日，在香港土木工程拓展署大楼，超级火山的发现者地质师邓丽君、工程地质师吴国材向本报记者讲述了粮船湾超级火山的发现之旅。

测岩龄发现超级火山

    作为地质师，邓丽君长期在香港野外进行地质勘察，对于九龙东的花岗岩再熟悉不过，而位于粮船湾景区、曾多次被游人评选为“香港十景”之首的六角形火山岩柱，她更是了如指掌。但长时期以来，邓丽君并没有发现它们之间有什么联系。

    一次偶然的机会，同样是在野外地质勘察时，她观察到沙田一带类似岩浆向上喷发的通道，再结合东面向东倾斜的火山岩和九龙东花岗岩，邓丽君估计火山岩和花岗岩应该是火山系统下面残余的岩浆部分，而粮船湾景区的六角形岩柱应该是火山口喷出的火山灰冷却后形成的，“这不正是向东倾斜的整个火山系统吗？”邓丽君顿时将分散在东西南北相关的岩石系统联系起来，拼成火山系统完整图。

    为了验证自己的猜想，邓丽君在很长时间内，进行地质调查和填图的工作，包括岩石测龄、岩石化学分析，最后发现东部的火山岩和九龙东的花岗岩，属于同一个时代、同一源头，从而最终确定此前的猜想是正确的。

    吴国材介绍，分散的火山系统构成部分的岩石资料，早已在地质调查中存在，但之前并没系统地联系起来，发现了火山系统后，通过分析岩石标本中放射性矿物元素，从而最终确认，火山最后一次爆发于一亿四千万年前，喷发量超过一万三千亿立方米，才得知属于古代超级火山（爆发出超过约1万亿立方米火山灰的火山）。喷发的火山灰覆盖在香港1000多平方公里的陆地面积上，厚度超过1.3公里。

    邓丽君表示，这座古代超级火山称为粮船湾超级火山，火山原本的直径约18公里。而这次最大的发现，是找到火山喷发的源头，即现时九龙半岛和港岛北部的大片花岗岩。邓丽君还表示，目前全球已知有五十余座超级火山，但极少能完整发现表面的火山岩和底部的岩浆源头，粮船湾超级火山属于极少数例外。

    超级火山的成分多为矽，火山喷发比普通火山猛烈，同时又因其巨大的喷发量而有别于其他普通火山。更为独特的是，超级火山喷发后形成破火山口，破火山口的形成是当火山爆发时，数以百立方千米的高硅质岩浆自地壳浅层的岩浆库涌出，与此同时造成以公里计的地壳下陷而呈现出盆地地形。而普通火山口多为火山尖口向外拱出。

 

破火山口和六角形岩柱

    那么破火山口又是如何形成的呢？邓丽君用注满粥的大锅作为比喻。她介绍道，这口大锅就如破火山口式的火山系统，而大锅的盖子相当于地壳覆盖，锅里的粥就如岩浆，而煮粥的火就如地球深处的热源，热源主要由地球板块运动所产生，并且在持续加热。当粥沸腾时，相当于热粥中气泡的岩浆气泡就开始向盖子口外冒。

    热源还在持续加热，盖子开始出现裂缝，锅里的物质就开始向外喷，即成为火山灰。不断加热过程中，破碎的盖子失去了支持，并沉落大锅里，而喷溢出来的物质（即火山灰）回落到崩塌的盖子上。

    当失去热力后，火山灰在塌陷的破火山口内慢慢冷却和凝固而形成倾斜的岩柱，而大锅中剩余的粥（即岩浆）也开始降温，慢慢地形成了花岗岩。

    此后，经过不断的风化和侵蚀，火山口成为一个平面，而地壳下陷后逐渐成为一个盆地，至此，破火山口景观形成。

    除了独特的破火山口，六角形岩柱同样具有极高的观赏价值。邓丽君表示，岩柱的形成需要具备质地均匀的火山灰、冷却速度缓慢等条件。当火山灰厚层于破火山口盆地慢慢冷却和收缩时，引起的拉伸力使火山灰层裂开，裂缝从较冷的表面向火山灰内部较热的中心拓展，而六角形的形态是释放这种拉伸力最有效的安排，因而就在破火山口盆地内形成了这种六角形岩柱的独特景观。这些岩柱的直径约有1~2米，而高度甚至可达30米。

 

是否致恐龙灭绝待考证

    邓丽君介绍，这次研究是在华南东部首次发现古代超级火山。华南东部沿岸地区（即香港至厦门至宁波一带沿海地区），可能还有众多相类似但尚未被发现的超级火山，它们在一亿八千万至八千万年前曾一度活跃，而香港粮船湾破火山口只是其中之一。香港发现古代超级火山，或许可推动对同类地貌的探索。

    邓丽君还介绍说，粮船湾超级火山的爆发，恰巧与华南东部的大型造山期终结时段吻合，这个造山期被称为“早期燕山运动”。

据了解，燕山期对于中国的东部地质来说是一个重要的时期。在此期间，由于鄂霍次克板块和伊邪那岐板块先后与欧亚板块东北部碰撞，不仅造成了包括中国东部在内的大面积地区的褶皱隆起，形成李四光命名的“新华夏构造体系”，而且使欧亚板块逆时针旋转了30度，使这一板块逐渐接近现在的取向。

    吴国材解释说，对粮船湾超级火山的研究，可增加对这一时期造山运动的了解，揭开这一时段华南地区地质形成的原因。

    此外，邓丽君还强调，在约一亿四千万年前，岩浆活动的最后一次活跃时期中，粮船湾超级火山爆发，这一时段横跨侏罗纪和白垩纪两个地质时期的边界，“我们推测，大量超级火山在华南东部沿岸地区大规模喷发，影响了全球的环境，并可能引致海洋四足生物和陆上恐龙在侏罗纪末期大规模灭绝。”但同时，她也补充道，超级火山是否恐龙灭绝的真正原因还需要时间考证。

 

具备申遗价值

    每次火山爆发都对环境产生重大影响，同样，超级火山的发现，也有益于了解全球环境的变化。邓丽君介绍说，1991年，菲律宾群岛皮亚图博火山喷发，造成全球气温下降了1~2℃，喷发量不到粮船湾超级火山的1/10。而粮船湾超级火山在东南沿海多次爆发，对全球环境有多大影响，这些都有待考究。

    这次发现超级火山也产生了相应的效益。邓丽君介绍，在破火山盆地发现一些相关的变质岩，与其他岩石不同，岩石变质后硬度弱化，会改变工程的稳定性，同时与破火山口系统相关的变质作用也会改变岩石的工程特性。这对斜坡稳定性和地下空间安全措施的设计会有所影响，例如隧道、竖井、岩洞。通过此项发现，可以及时对相关工程进行及时维护与检修，对减少工程事故有积极作用。

    “从地质的角度来看，粮船湾超级火山应该具备了申请世界遗产的价值”，吴国材肯定了超级火山的重要价值，但他也强调，世界遗产还注重生物多样性、管理水平、科研能力以及教育等多方面，需要考虑的方面非常多。此外，邓丽君还补充道，申遗应该是整个超级火山系统，但很多地方已发展，不可能把已发展为城区的九龙、香港岛也划入保护区范围，“操作有难度”。

http://tech.ifeng.com/discovery/geography/detail_2012_09/29/17998085_0.shtml

 

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。

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]。

 

图5  近5亿年来朔望月天数的变化(据任振球, 1990 ^[13] )

 

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。

 

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 167]}

 

 

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]。

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]。

 

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]}

 

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