最新证据：核幔差异旋转和核幔边界热幔柱喷发

              杨学祥，杨冬红（吉林大学）

      关键提示：最近，牛津大学的地震学家玛丽亚·特希姆希斯特连科（Maria Tsekhmistenko）的研究证实了这些斑点是地幔热羽流（亦称热幔柱）的来源，而这些热羽流一旦浮出水面，就会引发毁灭性的超级火山爆发。

重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为地幔流动和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。

计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

积累在核幔边界的低密度热幔柱，集中在地球赤道附近核幔边界（见下图），上升喷出地表后形成巨大火成区，导致全球变暖和大规模生物灭绝。

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原创冰川思想库昨天

在我们身处的这颗星球中，内部的景象正在出现一种颠覆性的转变。

“我们生活在一块由岩石和金属组成的星体上，这个大块头围绕着一颗单调的恒星不停旋转”，1996年，卡尔·萨根（Carl Sagan）在最后一次天文学的采访中这样说道。

这是对地球的一种过于简单化的描述，但在很长的一段时间中，多数科学家都认同这种说法。事实上，还没有什么办法能直接探索地球的内部。离地球内部最近的就是俄罗斯北极地区的科拉超深孔，这也是有史以来最深的洞，深达12263米，但也仅仅是地表到地心距离的0.2%罢了。所以即使是现在最好的科学地图，也不比我们中学教科书里的卡通画好多少，因为它仅仅能看出一个地球外壳，一个内核，还有它们中间被称为地幔的一个厚层。

地球内部的丰富景观

随着技术的进步，现在对地球的探索情况也有了很大的改变。加州大学伯克利分校的芭芭拉·罗曼诺维奇（Barbara Romanowicz）等研究人员正在利用地震波扫描地球的内部，就像医生借助超声波能观察到病人体内的情况一样。这些研究人员看到的不是一个简简单单的大矿石，而是其中更为复杂的细节，是整个动态变化着的丰富的内部景观。

地幔从截面来看是层层叠叠的，就像洋葱一样，主要的跃迁发生在250英里（约402公里）和410英里（约660公里）以下。在410英里的高度上，研究人员最近发现了一个巨大的内部山脉，其中的山峰可能比珠穆朗玛峰还要高。“最近，我们在地下1000公里深的地方发现了另一个变化，”罗曼诺维奇介绍说。

这些岩层被升高的热岩柱劈开，而在这些连在一起的高温岩石下面，有两块奇怪的巨大斑点。这两个斑点的大小都和澳大利亚差不多，一个位于非洲下面，一个位于太平洋之下。

“看到的越多，我们越明白这和教材上那种标准的卡通画完全不一样。”，罗曼诺维奇说，“对于地球动力学学家来说，这是一场彻底的革命。”

地幔斑点的困惑

地幔团块对地表的生命有不小的影响，所以研究者对它格外的关注。最近，牛津大学的地震学家玛丽亚·特希姆希斯特连科（Maria Tsekhmistenko）的研究证实了这些斑点是地幔热羽流的来源，而这些热羽流一旦浮出水面，就会引发毁灭性的超级火山爆发。

特希姆希斯特连科的研究发现了，非洲所处的地表下的斑点和拉留尼昂地幔柱（目前位于马达加斯加东部留尼昂岛下）之间存在紧密的联系，在6700万年前，这些地幔柱就在印度引发了一波火山喷发，当时地球正经历大小行星的撞击，恐龙也正走向灭绝，火山喷发无疑对这一切又造成了二次打击。

除此之外，其他的火山羽形成了巨大的火山，这些火山造就了冰岛，并且继续推动黄石河之下的地貌运动。“在过去的几亿年中，这些地幔运动、气候变化和大规模的动物灭绝之间存在着高度的相关性。” 特希姆希斯特连科说。

然而，地幔斑点的性质一直是个谜，很大程度上是因为特希姆希斯特连科和她的同事研究的地震波，只能间接揭示我们星球的内部结构。波速的快慢取决于它们所穿过材料的温度和成分。接着，用于测量地面运动的仪器可以用来探测这些地震波，并对其进行分析，来解释地震波通过的结构。

然而这种方法也有缺点。这种方法不能区分开温暖、致密的材料和较冷、较轻的材料。这给揭示地幔斑点的性质留下了很大的谜团。

剑桥大学的地球物理学家桑内·科塔尔（Sanne Cottaar）对这些斑点进行了广泛的测绘，他认为这些斑点是在地球历史早期沉入地幔底部的高密度岩石。“它们位于较热的核心顶部，因此会随着时间的推移而升温。之后，高温会使它们的密度降低，” 科塔尔解释道。

这些斑点就像锅上的盖子——炉子里的热量渐渐升高，直到炉子里面的东西沸腾并溢出，有时这种溢出的结果可能是灾难性的。

生活在洋葱星球上

这一结论与罗曼诺维奇关于地心的新观点相吻合，都认为地心是一层又一层重叠的洋葱状。科学家们曾经把地幔描绘成一个单一的厚层，在地核的热量影响下缓慢地搅动着。他们总结说，一个整齐而又不断起伏的环流拖拽着地壳，移动着大陆，重塑着海洋。

（王朵朵）

http://www.yidianzixun.com/article/0Lp9mIzv

比珠穆朗玛峰高100倍：核幔差异旋转和核幔边界热幔柱喷发

已有 366 次阅读 2019-3-11 10:48 

比珠穆朗玛峰高100倍：核幔差异旋转和核幔边界热幔柱喷发

                  杨学祥，杨冬红（吉林大学）

       关键提示：

近期科学探测发现，在地幔底部附近两个大陆大小的热压岩石团。它们被科学家称为巨大低剪切波速度区(Large low-shear-velocity provinces，LLSVPs)，因为地震波经过这些区域时会减慢速度，但地质学家通常只称它们为“小块或者斑点”。这两个斑点开始于地球表面数千英里以下，在那里，地球的岩石下地幔与熔融的外核相接。一个斑点潜伏在太平洋深处，另一个在非洲和大西洋部分地区的下面（与图3的巨大火成区有很好的对应关系）。

LLSVPs是地球最下层地幔(地球外核周围区域)部分的特征结构。这些省区以慢横波速度为特征，是由深部地震层析发现的。它们从地核-地幔边界向两侧延伸数千公里，垂直方向可能高达1000公里。这些区域约占地幔体积的8%(地球的6%)。llsvp的其他名称包括超井、热化学桩或隐蔽储层，科学家还在其下面发现了多个地幔柱。

通过资料分析和模型计算，1996年我们得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。

重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为地幔流动和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。

计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

积累在核幔边界的低密度热幔柱，集中在地球赤道附近核幔边界（见下图），上升喷出地表后形成巨大火成区，导致全球变暖和大规模生物灭绝。

据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度与全球高温和大气CO₂高浓度对应（见图1-2）。

图1  巨大火成区和全球变暖

Fig 1  Large igneous provinces and global warming

图2  巨大火成区的规模比例

Fig 2  The proportion of the large igneous provinces

120Ma前海底地幔柱喷发形成翁通爪哇海台，其释放的热量为6×10²⁶J，海洋的质量为1.45×10²⁴g，可使全球海水温度增高33℃，平均每万年海温升高0.1℃^[35]。有证据表明，在古新世末不到6000年的时间内大洋底层水增温4℃以上^[37]。海底火山活动引发的海温增高和CO₂排放在全球气候变化中的作用不容忽视，这是白垩纪强烈火山活动、大气中高浓度CO₂和异常高温一一对应的原因。

最近发现在15~20Ma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16.4~15.7Ma。中新世中期的温暖环境被认为应当对应于400~600ppm的大气二氧化碳浓度^[38]。15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩喷发是大气CO₂浓度增加的原因（见图1-2）。

在过去的20年中，研究人员搜集了有关古新世—始新世（5500万年前）最热现象（PETM）的数据。在PETM期间，地球的表面温度在1万年的时间里上升了9℃，而这一事件的起始温度要高于地球目前的气温。地球的温度在这一较高水平上一直持续了近10万年。在PETM期间，大气中的气体浓度上升了约700 ppm（百万分之一），即从1000 ppm升至1700 ppm——这比现今的385 ppm高出了4倍之多。据估计，温室气体的大量灌入形成了这一气温峰值。然而一项新的分析结果似乎并不能完全支持这一假设。研究人员模拟了在PETM期间，大气的灵敏度增加到翻一番的二氧化碳水平——2000 ppm，地球温度会发生何种变化。最终的结果显示，这些二氧化碳最高可以使温度升高3.5℃。这就意味着还有一些其他的因素使地球的温度升高了5.5℃。这一无法解释的变暖现象使人们对究竟是什么导致了重大且快速的气候变化的认知存在着一个缺口：二氧化碳不是造成古气候峰值唯一原因^[39]。

事实上，5500万年前的温度峰值与北大西洋边缘的巨大火成区同时出现，后者喷出的熔岩为哥伦比亚溢流玄武岩体积的3倍多。1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌^[35]。120Ma前海底热幔柱喷发形成翁通爪哇海台的体积为36×10⁶km³，15 Ma前发生的哥伦比亚溢流玄武岩体积为1.3×10⁶km³，释放的CO₂分别为5.8×10¹⁷ kg和2.1×10¹⁶ kg。图3中可以看到，巨大火成区大部分处于海洋及其边缘，喷发物被海水过滤，减少火山灰降温作用，增强温室气体增温作用。海洋被加热，释放大量温室气体，两种因素都导致气温升高。

图3 全球巨大火成区

Fig 3 Global large igneous provinces

在地球46亿年的岁月里、一共经历了五次生物大灭绝事件，五次生物大灭绝都是由地球本身的巨变而引起的。超级火山喷发的巨大威力，人类是无法达到的，也是无法阻止的。15百万年哥伦比亚河溢流玄武岩喷发导致南极地区的“绿化”过程最高峰大致出现在中新世中期，距今大约1640万~1570万年。65百万年德干暗色岩喷发导致恐龙灭绝和全球变暖；发生在2.5亿年前的这场最大规模的灭绝事件是西伯利亚暗色岩的杰作。这三次生物灭绝都源自超级火山喷发（见表1）。

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表1  火山喷发与生物灭绝

地球内核变速旋转：起源于重力分异和角动量交换

已有 2395 次阅读 2013-5-14 05:51    

地球内核变速旋转：起源于重力分异和角动量交换

                                                    杨学祥

澳大利亚的一项新研究发现，地球内核自转的速度很有意思，它与地幔、地壳等其他部分的自转速度是不一样的，而且内核自转的速度本身也有快有慢。地球由内而外依次是地核、地幔和地壳。其中地核又分内核和外核，内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被液态铁镍合金等元素组成的外核包围。澳大利亚国立大学13日发布的新闻公报介绍说，该校研究人员的最新研究成果发现，总体而言地球内核的自转速度比地幔要快，平均每年快0.25至0.48度。此外，内核转速还表现出一种“十年波动”。例如，在上世纪70年代和90年代，出现明显的加速期，转速高于其平均值，但在中间的80年代时，会转得慢一些。研究人员还说，地球内核自转很可能在过去几年出现了明显的加速，但这一点还需进一步观察研究才能确认。

通过资料分析和模型计算，我们得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。

重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。核幔角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为地幔流动和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。

计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

同济大学海洋与地球科学学院周怀阳教授作为第一作者，与美国伍兹霍尔海洋研究所迪克教授，近日在《自然》杂志上联合发表了题为《支撑马里安隆起亏损地幔的薄洋壳证据》的论文，对沿用40多年的“地幔羽”假说提出挑战。这是地质学领域研究的一个重要突破。

“地幔羽”假说认为，地幔内部温度的局部异常导致大规模岩浆涌出地表，形成隆起或海山，隆起或海山代表了较厚的地壳或洋壳。而周怀阳团队通过地质取样发现，在西南印度洋洋中脊上，有一块绵延3100公里长、大小与冰岛隆起大致相当的马里安隆起地表，那里广泛分布有通常被认为代表地幔的橄榄岩。在马里安隆起东段的53°E洋脊段上，有约3200平方公里的区域几乎完全缺失洋壳，地幔如同一只剥了壳的鸡蛋，直接出露于地表。他们经过细致甄别和论证后认为，马里安隆起的洋壳很薄，十分不均匀；造成马里安隆起的主要原因是地幔的成分异常，而不是地幔内局部的温度异常。周怀阳指出，部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起；而地幔的亏损原因则可追溯到1.8亿年前南极板块和非洲板块分离时发生的大规模火山作用或甚至更早的地质历史事件。

我们的计算模型表明，重力分异造成的地球物质的成分差异和核幔角动量交换导致的地球物质的温度差异，是地幔流动的两大动力，具有同等重要的作用。

部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起，这是重力分异作用的重要证据。

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图4 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

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