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答廖永岩板块假说的问题及人类对岛弧的认识 (转贴)

已有 4775 次阅读 2009-4-3 09:32 |个人分类:地球科学|系统分类:观点评述| 地球科学, 地球演化, 板块学说, 岛弧, 板块假说

侯振宇 2009-4-3  hou.zhenyu@sohu.com

一、关于板块学说

对于板块学说,我是非常同意廖永岩先生的判断:“板块学说,的确是20世纪的地球科学的最大成就, 它对20世纪以前的所有地学资料,进行了综合,使以前很多零散的有关地球科学的资料,变成了一个资料系统。同时,板块学说,将地球看成一个系统,利用当时的地质资料,对这个地球系统进行了系统研究,并进行了科学推测。自人类研究地球以来,除板块学说以外,还没有那个学说是如此广泛和系统地对地球科学资料进行综合过。所以说,如果没有板块学说的出现,也就不会有随后的地球系统科学的出现。就哲学思想上来说,地球系统科学是板块学说的发展,是将板块学说系统科学观点的发杨光大。所以说,板块学说,是人类认识地球的一个重要里程碑。”。

大陆漂移说是一种解释海陆分布与演变的假说。最早注意到大西洋两岸形状特点的是提出知识就是力量的英国哲人培根。1915年,德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳(Alfred Wegener)的《大陆和海洋的形成》问世。他根据海岸地形、古地质、古生物和古气候等方面的证据分析认为,在侏罗纪以前(距今约2亿年),地球上只有一个统一的大陆,称泛大陆(或联合古陆),被一个泛大洋包围。自侏罗纪以来,泛大陆便开始解体,并漂移分开,逐渐形成目前海陆分布的格局。
魏格纳提出大陆漂移的主要证据有:一是大西洋两岸形状的相似性,如果拼接起来,可以成为一个整体,说明过去曾经相连;二是南非与南美的二叠纪褶皱山系走向相同,地质相似,说明曾是同一陆块;三是南美、南非、南澳大利亚和印度南部都存有晚古生代冰川痕迹,若将它们合并一处,才能解释冰川分布规律;而且在这些冰碛层上,普遍有舌羊齿植物化石的含煤地层。证明这些远离的大陆原来是相连的。
大陆漂移说,主张地壳存在大规模水平运动,是对传统的固定论的挑战,对促进地质科学发展有着积极意义,为后来海底扩张说和板块构造说的兴起奠定了基础。但魏格纳没有解决大陆漂移的动力和机制问题,成为假说的弱点,而曾一度消沉过。

1944年,霍姆斯提出地幔对流-热对流理论;地幔内的流体上升到大陆中央并向左右散开,大陆就从这里向两边裂开,这就是大陆漂移的动力源。基于海洋地质工作的进展,赫斯在1961年提出大洋中脊是新地壳不断生成的地方。狄茨、瓦因、马修斯等人1963年论证了洋底扩张的存在,即:地幔对流驱使超基性物质从大洋中脊裂缝中上升,产生新的洋壳,促使较老的地壳向外推移并进入海沟,俯冲到地幔中而消亡。1964年,柯克斯编制了3.4百万年的磁场反向年代表。1965年,威尔逊提出了转换断层概念,将大陆漂移和洋底扩张结合成全球活动带和刚性板块的学说,并称之为“地球的诗篇”。1968年,勒皮雄把全球岩石圈划分六大板块,即:太平洋、欧亚、印度、非洲、美洲南极板块,其中仅前者由洋壳组成,后五者既包括了海洋地壳也包括了大陆地壳。

60-70年代,为检验和研究板块构造学说,组织了一系列的国际合作计划。其中著名的有:1963-1971年的国际地壳上地幔计划,1972-1977的国际地球动力学计划,还有国际海洋勘探十年计划,联合海洋学会地球深部取样计划和深海钻探计划等。1980年提出了岩石圈计划,拟定了地壳和上地幔的形成和发展等13项主要研究项目,标志着板块构造的发展进入了一个新阶段,即:初期它以海洋走向陆地、地球物理学挑战地质学为标志,80年代起则以陆地走向海洋、地质学挑战地球物理学为标志。

80
年代以来,许多地质学家深感板块构造的简单模式并不适用于大陆地区尤其是构造复杂的大陆地区。板块构造发展的关键问题,不是从6个板块划为20个或30个板块,而是要倡导一些新概念来解决板块上陆后面临的问题。这样,在美国西部出现了构造地层地体的概念并发展为地体构造说,在欧洲提出了薄皮板块的概念并发展为碰撞构造学,在前苏联出现了岩石圈构造分层说等。在板块的动力学方面也出现了新的构思,如巨地幔柱说。

非常荣幸,对于20世纪的地球科学的最大成就----板块学说侯振宇是能够有自己的贡献的。我在20081011日《侯振宇的地震观——献给2008年5月12日汶川地震死难者》写下如下文字:

【按照赫斯的海底扩张说来解释,认为大洋中脊是地幔对流上升的地方,地幔物质不断从这里涌出,冷却固结成新的大洋地壳,以后涌出的热流又把先前形成的大洋壳向外推移,自中脊向两旁每年以0.55厘米的速度扩展,不断为大洋壳增添新的条带。因此,洋底岩石的年龄是离中脊愈远而愈古老。当移动的大洋壳遇到大陆壳时,就俯冲钻入地幔之中,在俯冲地带,由于拖曳作用形成深海沟。大洋壳被挤压弯曲超过一定限度就会发生一次断裂,产生一次地震,最后大洋壳被挤到700公里以下,为处于高温溶融状态的地幔物质所吸收同化。向上仰冲的大陆壳边缘,被挤压隆起成岛弧或山脉,它们一般与海沟伴生。现在太平洋周围分布的岛屿、海沟、大陆边缘山脉和火山、地震就是这样形成的。所以,海洋地壳是由大洋中脊处诞生,到海沟岛弧带消失,这样不断更新,大约23亿年就全部更新一次。因此,海底岩石都很年轻,一般不超过二亿年,平均厚约56公里,主要由玄武岩一类物质组成。而大陆壳已发现有37亿年以前的岩石,平均厚约35公里,最厚可达70公里以上。除沉积岩外,主要由花岗岩类物质组成。地幔物质的对流上升也在大陆深处进行着,在上升流涌出的地方,大陆壳将发生破裂。如长达6000多公里的东非大裂谷,就是地幔物质对流促使非洲大陆开始张裂的表现。(引自海底扩张学说,百度百科)

对以上美国学者赫斯的海底扩张学说的伟大论述我是非常佩服,但我必须予以修正补充。

侯振宇认为海底扩张是现阶段绝对正确的事实;地幔物质存在轻物质上升、重物质向内运动的重力选择;海底扩张是由于大洋中脊处涌出地幔物质冷却固结成新的大洋地壳对先前形成的大洋壳挤压而导致大洋壳向外推移,而不是由于大洋中脊处涌出的热流把先前形成的大洋壳向外推移,海底扩张是虎克定律作用的必然结果。新洋壳产生占了原有洋壳的空间,原有洋壳必然被压缩;力的作用导致形变,产生形变必然代表存在力的作用;如此大洋中脊处涌出地幔物质冷却固结成新的大洋地壳对先前形成的大洋壳挤压而导致大洋壳向外推移!大洋中脊处所产生的压力作用于洋壳并通过洋壳向相邻地壳作用,如此导致海沟处洋壳向地幔下冲,导致了海沟(火山岛弧)后张拉,导致了大陆地壳的压缩。一句话,大洋中脊处所产生新洋壳的压力主导了全球地壳运动!

侯振宇是一个1998年通过中国一级注册结构工程师考试的结构工程师,与我尊重的赫斯船长眼中的世界有所不同的是作为结构工程师的我眼中的全球地壳运动是极其规则的,它们一丝不苟的按照伟大牛顿的规则运动(爱因斯坦相对论只是游戏而已,请读拙作《水星的近日点进动计算支持爱因斯坦广义相对论么?》、《爱因斯坦的所谓时钟减慢是谬误! 》两文----力、变形、刚度!刚度在地壳运动中表现最醒目!地壳各板块依据其刚度不同而扮演不同的角色。最简单的洋壳大洋中脊绝对是地壳刚度相对最小处(地壳薄、地壳破裂)而向地幔物质开放,相对而言海沟只因得到火山岛弧的加强其刚度大大增加而对地幔物质封闭成为洋壳消失处。

刚度差异在地壳运动的表现极丰富。太平洋与大西洋的状况就是一个例证。

太平洋南北长约15 900公里,东西最大宽度约19 900公里,面积17 968万平方公里。占世界海洋面积49.8%,占地球总面积的35%。平均深度为4 028米,最大深度为马里亚纳海沟,深达11 034米,是目前已知世界海洋的最深点。

大西洋东西狭窄、南北延伸,轮廓略呈S,自北至南全长约1.6万公里。大西洋的赤道区域,宽度最窄,最短距离仅约2400公里。大西洋的面积,连同其附属海和南大洋部分水域在内(不计岛屿),9165.5万平方公里,平均深度为3597米,最深处位于波多黎各海沟内,为9218米。

线刚度=EI/L E材料弹性(弹塑性)模量,I惯性矩(与块体厚度等有关), L块体在计算方向计算长度。太平洋与大西洋洋壳基本一致,刚度差别基本只在计算长度,太平洋东西最大宽度约19 900公里,大西洋东西狭窄最短距离仅约2400公里,两洋在东西方向的线刚度差异如果是在忽略地球弧度影响(这个计算是绝对不能忽略地球弧度影响)条件下的简单计算,其差别在5倍以上。如此刚度差在即使在同样的荷载(海水)作用下,刚度小的太平洋其变形必然要大于大西洋。这就是太平洋水深大于大西洋的力学解释。

地震具有一定的时空分布规律。从空间上看,地震的分布呈一定的带状,称地震带,主要集中在环太平洋和地中海喜马拉雅两大地震带。太平洋地震带几乎集中了全世界80%以上的浅源地震(0千米~70千米),全部的中源(70千米~300千米)和深源地震,所释放的地震能量约占全部能量的80%。

   对于这个环太平洋地震带,也可以用力学来加以解释的。

学术界认为大洋的发展可分为胚胎期(如东非大裂谷)、幼年期(如红海和亚丁湾)、成年期(如目前的大西洋)、衰退期(如太平洋)与终了期(如地中海)。对于太平洋的衰退甚至有极端意见认为其最后结果是消亡。

  我的看法与此不同。由于太平洋与大西洋的洋壳刚度不同,目前的确是大西洋扩张太平洋收缩。但是未来并不会永远如此的,理论上两者的扩张与收缩导致刚度差异为零时两者将出现绝对平衡。

只有环太平洋地震带没有环大西洋地震带的原因一是因为刚度差异所导致太平洋板块边缘的局部位移比大西洋大=地壳运动强烈=地震火山活动强;二是地壳运动的全球性,地壳运动的能量释放在环太平洋,自然没有能量对环大西洋释放。

 对于“胚胎期(如东非大裂谷)、幼年期(如红海和亚丁湾)”的观点我不是完全认同,我认为造成现状的是全球大洋中脊推力作用,其中印度洋人字型大洋中脊对非洲大陆的推力起最大作用。东非大裂谷、红海和亚丁湾表现的是大洋中脊的虎克定律贡献,而不是板块学说的东非大裂谷、红海和亚丁湾处的地幔物质作用!如果是一定非要把它归之于地幔物质作用,那么只能归之于大洋中脊处的地幔物质作用!

对于地中海喜马拉雅地震带,就是汶川地震和西藏、新疆所发生地震的那个地震带,也同样可以用力学解释。

地壳厚度(莫霍面出现的深度),全球平均为33公里, 在大洋之下平均仅为7公里,青藏高原最大处接近70公里由于刚度与厚度成四次方的正比,青藏高原与周边区域有着巨大的刚度差异。在地壳运动中,青藏高原凭借其刚度吸收大量能量。(储能,弹簧体,刚度越大则其储存或吸收的能量越大。释放能量则是相对刚度最小处释放。)而一旦周边稍有调整,则导致巨大能量释放(地震)。这就是力学对地中海喜马拉雅地震带的解释。

1998年我在《关于冰期理论的一些探讨》中为反对我所尊重的盖宝民先生的离极运动描述了地壳运动对北极区域的围合挤压,并允诺有机会将做地球运动动力的文字。非常遗憾,这个许诺的兑现是在今天-沉痛的2008年!)】

现在再补充一些:地球平均密度:5.515 g/cm^3。地球表面土层如黄土、黑土密度大约在1.85 g/cm^3左右,地表一般岩石大约在2.8 g/cm^3以下。地球密度是由外向里增大。地球地幔岩浆密度是大于地壳岩石密度的。(下插地幔里的俯冲大洋洋壳在热融解形成的岩浆密度应该是与大洋洋壳相近但比地幔物质密度低,一种可能是维持化学结构不变体积不变上浮,另一种可能是化学结构改变与地幔同化密度增大体积减小)地幔物质由大洋中脊涌出必然发生体积膨胀。从这个角度看新洋壳生成必然产生体积膨胀导致的向外水平扩张!同时从这个角度看非主流的地球膨胀假说是不成立的,因为地球各层物质流动所导致的物质体积变化是局部的、有限制的、非单向的!

二、关于廖永岩先生的问题:

廖永岩先生写道:“消减带本来应存在于大陆和海洋的交接处,太平洋的情况就是这样。但是,大西洋的大陆和海洋的交接处,就没有消减带的形成。这就是说,太平洋,有板块的形成,也有板块的消减,但大西洋只有板块的形成,却没有板块的消减。印度洋有板块的形成,但却只有北方和东北方板块的消减,非洲大陆、澳大利亚和南极方向,目前还没有证据证明有明显的消减带的消减。而且,消减带的很多地质问题,都是不能用板块学说的理论加以解释的,例如:1,岛弧处为什么大洋侧主要是高压变质,而大陆侧主要是高热变质?2,为什么岛弧处会形成火山,而地球的其它处则不会形成,火山形成的机制是什么?3,岛弧处为什么会抬升,而岛弧后则会扩张?4,既然岛弧处的板块下插是造成板块运动的主要动力或主要动力之一,如日本岛弧和台湾岛弧的下插板块能拖动整个太平洋板块运动(洋中脊在东太平洋),但为什么其下插板块却是折曲的,即这种巨大的牵引力还拉不直下插板块本身?5,为什么很多俯冲带的地震带是双层的?即下插板块为什么是双层的?诸多的问题,这里只是略举一、二。所以,若板块学说有问题或错误,或者说板块学说会出问题,肯定问题会出在消减带上。若某些地质学家想保护或完善板块学说,肯定得从消减带入手。只要消减带的问题得到了妥善的解决,板块学说才会处于不败之地。反之,若某些地质学家,想推翻板块学说,另建一个新的理论,也必须从消减带入手。如能将本身就不太完善的消减带推翻,板块就缺了半个边,板块学说就只剩下洋中脊这一条线了,就不可能再成为板块了。”

我以为大西洋周边“目前还没有证据证明有明显的消减带的消减。”原因是大西洋扩张模式一直没有变化,而且大洋洋壳强度能够支持大西洋扩张。只有良知情况大西洋周边才能出现消减带,一是大西洋扩张洋壳(受压,属于压杆)长细比增大至抗压强度不足导致破裂,二是出现新的影响因素作用(大西洋扩张模式变化)导致洋壳受力增大至破裂程度。

廖永岩先生的问题:

1,              岛弧处为什么大洋侧主要是高压变质,而大陆侧主要是高热变质?

我了解不够,我望文生义做个强行解答吧。太平洋洋壳由大洋中脊处开始的外推,在火山岛弧处受阻向下俯冲入地幔。由海沟到大洋中脊间的洋壳必然是受压的。海沟处大陆侧是火山岛弧,有热的作用。受压处的高压变质与受热处的高热变质没有什么值得特别注意的!

2,              为什么岛弧处会形成火山,而地球的其它处则不会形成,火山形成的机制是什么?

3,              岛弧处为什么会抬升,而岛弧后则会扩张?

这两个问题很紧密,一并回答。岛弧处会形成火山的原因是地壳受力的作用破裂,地幔物质涌出。除岛弧外,大陆地壳受力的作用破裂,地幔物质也会涌出形成火山。东北的长白山属于火山活动遗迹,

岛弧处受力与海沟至大洋中脊间的洋壳不同。俯冲洋壳向岛弧斜下方插入,岛弧对此产生相应的摩擦阻力!摩擦阻力对岛弧后洋壳的作用就是使其受拉,这就是岛弧后扩张,南海就是处于如此状态。岛弧其刚度大于其两侧的洋壳,力学规则是刚度越大变形越小,变形等价于卸荷(减少力的作用)。而且相对于岛弧后洋壳的单纯受拉,岛弧承受弯距、拉力、剪力(还可能有扭矩)作用,地壳在力的作用最大处开裂,如是地幔物质涌出岛弧火山形成。岛弧处抬升,有地幔物质的膨胀影响,有俯冲洋壳之插入产生挤压力的向上分力的影响。

4,              既然岛弧处的板块下插是造成板块运动的主要动力或主要动力之一,如日本岛弧和台湾岛弧的下插板块能拖动整个太平洋板块运动(洋中脊在东太平洋),但为什么其下插板块却是折曲的,即这种巨大的牵引力还拉不直下插板块本身?

如果只看到岛弧处,对俯冲洋壳可以有两种解释,一是由俯冲到地幔内的洋壳受地幔拉力作用使洋壳继续深入,洋壳受拉;二是洋壳受压,俯冲到地幔内的洋壳受地幔阻力作用而使停滞不前。将目光扩大,大洋中脊的扩张及推力,和廖永岩先生注意到的“下插板块却是折曲的”结论自然是解释二成立。如果洋壳受拉,它的形状应该是笔直或地球圆弧;相反洋壳受压,下插板块必然是折曲的!

5,              为什么很多俯冲带的地震带是双层的?即下插板块为什么是双层的?

对此,我缺乏研究。但我看到相应图表我认为这是统计出来的现象,不是客观实际!

 

参考文献:

板块学说_互动百科

http://www.hudong.com/wiki/%E6%9D%BF%E5%9D%97%E5%AD%A6%E8%AF%B4

侯振宇,《侯振宇的地震观——献给2008年5月12日汶川地震死难者

http://www.sciencenet.cn/bbs/showpost.aspx?id=31720

廖永岩,地球科学原理之19 板块假说的问题及人类对岛弧的认识

http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=223171



http://blog.sciencenet.cn/blog-3534-224108.html

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