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地球科学中不可忽视的三大误差

已有 652 次阅读 2020-5-21 10:24 |系统分类:科普集锦

地球科学中不可忽视的三大误差

1.轻视气候因素,直接判断大陆的古纬度和古海拔

根据地层里发现的现象来判断板块所处的纬度,如低纬度发现了冰碛岩、中纬度看到铝土矿,青藏高原抬升的动植物证据。但气候的历史变化却远超现在的赤道与两极的温差,且变化频繁。下图据深海氧、碳同位素揭示出全球气候始终在变 [9](Zachos, 2001)。Zachos(2001)研究认为,始新世(Eocene)温度比现在要高20℃;渐新世(Oligocene)急剧降低,中新世(Miocene)早期又升至最高,从24Ma至今一直在降低。也说是说,不管是否有大陆漂移、板块运动存在,不管是否有无人类活动的干预,地球的温度的自然起伏也是很大的、很快的、周期性的。这个数据表明,仅新生代60Ma以来,气温有升有降,存在多个周期;甚至在短短2Ma时间的第四纪期间,就有四次冰期 (Ciais P,2011);末次冰期2.6万年前北美、欧洲还被4km厚的冰川覆盖 (Nevin B. Avsar,2017)。在这样短周期内显然没有大的构造变动(当然更没有人类的活动),却存在剧烈的气温变化。由此可以得出,气候变化频率远大于构造运动及人类活动。Molnar (1990)指出在分析青藏高原的一些古生物证据,更多地应解读为是气候变迁的证据,而不能作为地壳抬升的证据。一般说来,地球热周期才会留下动植物记录,冷周期是没有的,过热的也没有,或者说,我们所看到的,只是地球现象的抽样,1/2或1/3。在如此强干扰背景下,如何提取出代表青藏高原隆升的气候证据?或古板块所在纬度的证据?

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图1 深海氧、碳同位素指示气候变化(Zachos, 2001)

      去年2019年8月上中旬我随中国岩石力学学会何满朝、挪威李春林、汪发武、唐春安等教授到北极斯瓦尔巴群岛进行了为期2周的北极联合科学考察,看到岛西北部发育泥盆系巨厚红层,中部朗伊尔城附近侏罗系地层中发现大型河流相沉积交错层理,白垩系中看到了植物化石和正在开采的煤,反映这几个时期该地区温暖如春,显然,没有沉积记录的,是其冷周期,现在该岛也是冷周期。在交流中,很多学者第一反应是,这个岛可能当时漂移到了低纬度,显然,传统的板块学说深入人心。照此逻辑,这几个有沉积记录的年代,岛离开北极,去了暖和的南方;缺失记录的年代是冷周期又回到了北极。这显然是一种强套理论。事实上,这几个时期,至少侏罗、白垩纪是全球历史上最热的年代。并非飘移的结果。


图2 北极斯瓦尔巴群岛朗伊尔城至机场边坡的侏罗系地层中发育的大型交错层理


图3 斯瓦尔巴岛西南部俄罗斯正在开采的石炭纪煤层

2. 古地磁计算各大陆古位置时如何处理频繁的磁极倒转

用古地磁在计算恢复古大陆位置时,是否去掉或能否去掉每1Ma时间内6-8次的磁极倒转,去得干净吗?在如此强干扰下,何以能推测多至1000Ma前古大陆的纬度?就是它决定了超大陆的裂解与拼合,并确定了古纬度,由此勾会了一幅宏大的场景。


图4 超大陆位置


3. 深地震精度可判断地幔柱是否存在而无法确定它能否动弹

我们用物探方法能探测到很深的水塘里有块直立的大石头容易,但要判断它是否能向上漂难,需要高精度测量。地壳运动的速度是靠地球表面大量的GPS测量,然后再平差,得到的结果几乎已超出GPS测量精度了,达到每年厘米级的运动。而要说明地幔柱存在,准确地说,是地幔或地核出现一个速度异常体,这容易,对于深部探测,这可算作一种相对测量;难在证明它是运动的,如地幔柱上升,负浮力,地幔对流,在人类时间尺度上证明它们是“动的”,这相当困难。浅层石油勘探的精度,地震波频率高,子波长度λ约60-100米,3km深处可探测到20米左右厚度的砂体。若是800公里深,看图上地震子波长度λ80km,相当于频率f为0.12Hz, 如下图所示,但实际可能比这个高,按频率f=0.5Hz计算,速度v为9公里/秒(速度不能按射线平均速度,而只能按照探测目标处,即800公里处的速度),波长λ为18公里,其垂向厚度分辩率为子波长度λ1/4,即大约4.5公里;横向分辩率按第一菲涅尔带半径约为84公里:R=(λ*h/2+λ2/16)^0.5=(18*800/2+182/16)0.5=84km,其中h为深度800公里

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图5 横垮美国的地震剖面(来自于梁光河教授提供)

从上面公式看出,深度越深,第一菲涅尔带半径R越大,分辩率越低。若要探测3000公里深的目标,地震高频衰减,留下低频,子波的长度λ保守估计为90公里长度(主频相当于0.1Hz),则横向分辩率为368公里,垂直分辩率为22公里。也就是说,如望远镜一样,看3000公里以外的两个小于等于22*368km2尺度的物体,挨着放在一起,由于视线模糊,会被当成一个物体,只有大于此尺度的,才能分开。如此精度,就是探测到了地幔柱,也得不出它随时间按厘米级移动的结果;就是静态观测,采用接收函数或层析成像等技术获得了地幔柱的形态,在此深处若只探测到了低于368公里的物体,则可能只是数学意义上的求解,无实际物理意义。也就是说,地幔柱、地幔对流,这些目前还是一个未经证实的假说。

上述取值是合理的,东北鹤岗台站离震中芦山地震震中距离正好3000公里,它记录到的地震波频谱图如下图所示,其主频F约为0.1Hz。所以,取F=0.1HZ是合理的。波长λ,频率F及传播速度V的关系是: λ=V/F


图6 芦山 7级地震后鹤岗台(震中距3000km)地震波形频谱(范文华,2017)

这三大可能的误差,影响着重要的地质理论,值得深入研究。

 

 




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