气候变化与构造运动：大陆东高西低向西高东低的转换动力

                           杨学祥，杨冬红（吉林大学）

前言

最近学者梁光河梳理出来一个中国东西部地形变化-跷跷板式运动的动态变化过程图（图1），在新生代初期65Ma，中国东部海拔接近4000米，日本和朝鲜还拼贴在中国东部，属于中国东部高原的一部分，中国西部还是低平原，大河向西流，汇入古特提斯洋。45Ma左右随着印度欧亚碰撞，青藏高原急剧隆升，在24Ma左右，中国西部青藏高原隆升到大约4000米，而此时中国东部已经发生了大规模微陆块裂解和漂移，产生的构造拉伸和地幔上涌，伴随着风化剥蚀，使得中国东部高原整体下降，此时的中国东部海拔高度不高于2000米，由此产生了长江并向东流入东海。随着新近纪后期青藏高原的进一步隆升到现在，中国东部进一步沉降，产生了中国地形地貌的三个明显阶梯，造就了长江，也形成了人们心目中的“大河向东流”。

图1 中国新生代东西方向跷跷板式运动变化过程图

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中国大陆的地势变化与气候变化有关

我们注意到，6500万年以前全球处于中生代的温暖期，直到第三纪和第四纪全球气候才逐渐变冷，最后发生第四纪大冰期。

我们在2011年撰文指出，气候变化和构造运动实行互影响的，因为冰川消长和海平面变化将引发冰川地壳均衡运动，地表最大规模的物质转移是构造运动的强大动力。

    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

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转

Table 2  Earth’s rotation periods, geological cycles andgeomagnetic polarity reverse

表3 冰期（G）与现代（T）大陆冰总量对比(根据R.F.Flint,1971)

从表3中可以看到，南极冰川在末次冰期后的冰川融化中，对海平面上升的贡献仅为7米。这为全球变暖导致的南极冰盖融化提供了变化上限。1994年周尚哲提出，到目前为止，所获得的地质纪录却证明南北半球的冰期是同步进行的[9]。第四纪冰期以北半球的冰川变化为主。

表1-3表明，气候变化和构造运动密切相关：气候变化将100-200米厚的海水层变为两极冰盖2000米厚的冰盖，两极冰盖将均衡下降700米，洋壳将上升70米，形成规模宏大的地壳均衡运动。

海平面变化导致的大陆地势变化

从石炭二叠纪大冰期到中生代白垩纪温暖期，两极冰盖融化，转动惯量变小，自转变快，低纬度圈海平面上升，转动惯量变大，自转变慢，挤压大陆东部，形成大陆东高西低地势。

与此相反，从中生代白垩纪温暖期到第四纪大冰期，两极冰盖形成，转动惯量变大，自转变慢，低纬度圈海平面下降，转动惯量变小，自转变快，挤压大陆西部，形成大陆西部的挤压带，成为大陆西高东低的地势（见图4）。

气候变化导致的大陆东高西低向西高东低的转变，中国大陆并非是特例。

阿巴拉契亚山脉（Appalachian Mountains），也称阿巴拉契亚高地，是一条位于北美洲东部的巨大山系。山脉从加拿大的纽芬兰省起，经过美国东部，向南直到拉巴马州中部，呈现为东北-西南走向。山脉北部宽度在130～160公里之间，南部宽度在480～560公里之间。全长约3200公里（一说2600公里）。山脉的最高峰是米切尔峰（海拔2037米），为美国东部的最高点。

阿巴拉契亚山脉是地球上最古老的山脉之一，形成于4亿8千万年前的奥陶纪。在被侵蚀之前可能达到过落基山脉和阿尔卑斯山脉的高度。当时美洲大陆和非洲大陆尚为一体，因此阿巴拉契亚山脉和非洲摩洛哥的阿特拉斯山脉实际是一体的。

形成阿巴拉契亚山脉的主要动力是地壳的水平挤压。一种是由于地球自转速度的变化而造成的东西向的水平挤压；另一种是由于在不同纬度上受地球自转的线速度不同，而造成的地壳向赤道方向的挤压。这两种挤压再加上地壳受力不均所造成的扭曲，就形成了各种走向的山脉。一般来说，地壳中比较坚实刚硬的部分，在地壳发生运动的时候，往往发生断裂，在断裂的两侧相对上升或下降，有时也能突出地面成为高山。

奥陶纪在地质学上，是古生代中4.85亿年~4.43亿年前这段时间，可分为三个时期——奥陶纪早期（早奥陶世，4.85亿年~4.70亿年前），奥陶纪中期（中奥陶世，4.70亿年~4.58亿年前）和奥陶纪晚期（晚奥陶世，4.58亿年~4.43亿年前）。

奥陶纪是历史上海侵最广泛的时期之一，世界许多地区都广泛分布有海相地层。在板块内部的地台区，海水广布，表现为滨海浅海相碳酸盐岩的普遍发育，在板块边缘的活动地槽区，为较深水环境，形成厚度很大的浅海、深海碎屑沉积和火山喷发沉积。奥陶纪末期曾发生过一次规模较大的冰期，其分布范围包括非洲（特别是北非）、南美的阿根廷和玻利维亚以及欧洲的西班牙和法国南部等地。由表2可知，奥陶纪是与中生代大致相同的温暖期。

图4 海平面变化导致的大陆地势变化

图5 北美东部阿巴拉锲山脉

结论

1.       气候变化导致冰盖消长和海平面变化；

2.       冰盖消长和海平面变化导致高低纬度圈差异旋转，形成南北纬35度圈为界差异旋转和扭曲构造；

3.       海洋圈自转速度变化挤压大陆东部或西部，分别形成西高东低或西低东高的地势。

4.       气候变暖期对应大陆西低东高地势；变冷时期和大冰期对应大陆西高东低地势。

5.       构造运动与气候变化密切相关。

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