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塑造地球外貌的力量可能来自内部（原稿和修改稿）

已有 2079 次阅读 2022-3-25 14:08 |个人分类:科技点评|系统分类:科研笔记

板块构造理论可能错了——

塑造地球外貌的力量可能来自内部

The power in the earth

杨学祥、杨冬红

一场由地幔柱理论替代板块构造理论的地质学[yhz1] 革命正在悄然兴起。

1811年12月16日，一连串地震开始袭击美国密苏里州小镇新马德里。相继发生的3次8～8.5级的大地震和许多强余震，使该地区经受了前所未有的重创，甚至改变了附近密西西比河的几处河道。频繁的地震一直持续到1812年2月。按照板块构造理论，新马德里并不属于地震多发的危险区域，为何会遭遇如此频繁的大地震呢？

两个世纪过去了，我们仍然没有找到真相。事实上，类似的事例还有很多，例如苏格兰西海岸被海水淹没的化石、南太平洋的海底火山、南非内[yhz2] 陆的膨胀穹窿，等等。这些事例我们都无法用板块构造理论来解释。于是，科学家开始进行新的研究，到地球内部去寻找答案。科学家认为，地幔对流驱动着岩石圈板块运动，进而改变了大陆和海洋的分布，塑造着地球的外貌。如果真是这样，它将撼动半个世纪以来被普通接受的板块构造理论。

板块构造理论存缺陷

板块构造理论的核心概念是，地球上部60～250千米厚的岩石圈漂浮在黏性的地幔顶部。这个理论最早是由德国地球物理学家艾尔弗雷德·魏格纳于1912年提出的。魏格纳根据化石分布提出，在3亿年前的古生代后期，地球上所有的大陆和岛屿是连在一起的，构成一个庞大的联合古陆（称为泛大陆）。从中生代开始，这个泛大陆逐渐分裂、漂移，一直漂移到现在的位置。

魏格纳的这一观点提出之初，遭到了人们的嘲笑。但是，随着大量证据的涌现，到了20世纪60年代，板块构造理论开始为大部分人接受。它不仅解释了地表地貌，也揭示了大多数地震、火山活动集中在特殊的狭长地带表面，即板块的边界。当这些边界移动分离，就产生了大陆的裂谷和海洋底部的中脊。在大洋中脊，热物质从地幔涌出，冷却后形成新洋壳。此外，板块相互挤压，形成类似喜马拉雅的山脉链，或下潜到彼此的下方，形成地震和消减带，如2004年12月26日印尼苏门答腊-安达曼发生9.1级地震的欧亚地震火山带。

板块构造理论通过几十年的迅速发展，已经较为彻底的动摇了传统的地质理论。但是，板块构造本身也存在许多的不足和难以验证的特点。20世纪70年代，板块构造理论开创人之一的美国地球物理学家贾森·摩根第一个发现板块理论解释夏威夷群岛特殊地貌的缺欠。夏威夷群岛位于太平洋板块内部，远离板块边界，按照板块构造理论地壳应该比较稳定，为何会从洋底发生火山喷发、堆积成火山岛呢？于是，摩根提出了地幔柱的概念。他认为，在夏威夷火山下面存在着地幔柱——地幔深部物质的柱状上涌体。炽热的地幔柱可以把上面覆盖的岩石圈抬起，在地表上呈现巨大的穹窿，形成火山。

摩根的这一观点直到20世纪80年代中期才逐渐被人们接受。这还要归功于地震波，因为地震波在通过地球内部时可以揭示地下世界的结构。由于在地下密度和温度不同的物质中，地震波的速度也不同，因此记录地震波到达地表的时间，就可以建立地下物质的三维结构模型。虽然这个模型的图像不是很精细，但足以揭示地幔复杂的动力过程。研究结果显示，有两个超级热地幔柱分别位于南太平洋和非洲的地壳之下，每个柱体长达数千千米。这就可以解释，为什么南太平洋海底隆起宽达1000米，同样的情况也发生在非洲，而板块构造理论无法解释这一现象。

地震层析成像证实，除了核幔边界物质上涌而成的热地幔柱，还存在因板块俯冲消减和重力陷落而成的冷地幔柱。冷地幔柱到达核幔边界，引起热扰动和热物质上涌。超级热地幔柱和冷地幔柱相辅相伴出现，构成了现代地球物质热对流的主要方式。

用地幔柱理论释疑

利用地幔柱理论，我们之前的许多疑惑便可迎刃而解。2011年，英国剑桥大学地质学家尼基·怀特及其同事发现了苏格兰西海岸2000米以下的海床上埋藏着大约5500万年前山脉、峡谷和河流的遗迹。分析发现，在过去的百万年间，这个区域曾上升到海平面然后又沉下海底。从板块构造理论来说，山脉的隆起再被剥蚀，这个进度太迅速了。怀特等人认为，在北大西洋下有一个超级热地幔柱，携带着地球深处的热岩浆喷涌而出，将这块遗失的陆地推至北大西洋之上，后来地幔柱消逝，这块陆地又重新下沉至海底。

澳大利亚基本是个稳定的大陆，但是和其他地区比较，它具有不同寻常的海平面历史。澳大利亚悉尼大学的迪特玛·马勒和他的团队研究发现，在距今1.45亿至6500万年前的白垩纪，澳大利亚东部曾发生陡峭的垂直运动，这是深部地幔对流在发挥作用，促使大陆上升和下降。

喜马拉雅山在3500万年前形成，当时印度板块从超级大陆分离后快速北移，撞击欧洲板块形成了青藏高原。但是，板块构造理论不能解释，为何当时印度板块北移速度为每年18厘米，现在仅为8厘米。计算机模拟表明，地幔柱涌升的蘑菇头成为大量熔岩喷发的源泉，形成6700万年前印度西部的徳干暗色岩。[yhz3] 大量熔岩的喷发加剧板块的分裂，加快了印度板块北移速度。

至于美国密苏里州小镇新马德里遭遇的频繁大地震，研究人员认为根本的原因是地幔柱的运动。2007年，加拿大蒙特利尔魁北克大学的亚力山德罗·方特及其同事揭示，在白垩纪，沿北美洲西海岸的古老板块潜入地幔深部，引起密西西比河谷下方的下降流，形成其上部岩石圈两个世纪前的灾难性事件。

不同的声音在科学界永远存在，争论是科学发展的动力。英国杜伦大学的吉利恩·福尔杰认为，伴随地震波在冰岛之下的慢速通过，冰岛的地貌和火山活动起源于浅部地幔，这可以用板块构造理论来解释，而无需地幔柱驱动。这一争论的解决需要更清晰的地震层析成像技术和更多地震仪遍布全球的精确探测。地幔柱理论正在替代板块构造理论成为新的主流，与板块构造理论一样，地质学正在另一次革命的风口浪尖上。

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小链接：

中国的研究进展

在20世纪90年代，中国也兴起了地幔柱研究的热潮。我国地球物理科学主要奠基人之一的傅承义教授认为，地球形成初期的密度分布是均匀的，后来由于重力分异，重物质下沉，轻物质上升，逐渐形成现在的分层地球。理论模型研究和实际测量表明，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异。其中，内核旋转最快，地壳最慢。2005年，美国伊利诺伊大学地球物理学家宋晓东等人发现，地球内核比地球表面构造板块的运动速度快5万倍。

地球内外圈层的差异旋转，使核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热地幔柱喷发的原因。

回顾过去4.5亿年的历史，地球自转的快慢与大洋中脊活动、海平面和气候变化相关。在志留纪至早泥盆纪和中生代，由于地球自转速度加快，使得大洋中脊活动增强、火山和热地幔柱活动增强、全球性海侵和古气候变暖；自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，地球自转速度减慢，表现为大洋中脊活动减弱、火山和热地幔柱活动减弱、全球性海退、气候变冷和出现大冰期。

距今2.52亿至2.47亿年前早三叠世时期是石炭－二叠纪大冰期和中生代温暖期的转折时期，超级火山喷发、致命高温与地球自转加速相一致。目前，地球气候也面临从第四纪大冰期向下一个温暖期的转变，因此我们现在可能正处于地球气候最坏时期的前夕。不过，在致命高温发生前，一定要发生超级火山喷发，所以我们有充分的时间应对致命高温的到来。

（本文作者杨学祥为吉林大学地球探测科学与技术学院教授[yhz4] ；杨冬红, 理学博士, 吉林大学古生物学与地层学研究中心副教授。）

图注：

地震层析成像显示，地球内部的活动对地球表面有重要影响。

Old theory：旧理论

按照标准的板块构造理论，物质在消减带被吞没，到达地幔浅部，在附近火山或两板块交界处逸出，形成浅层循环。

Subduction zone：消减带

diverging plate margin：在板块边界逸出（裂谷/大洋中脊）

Lithosphere：岩石圈

New theory：新理论

地震层析成像显示，一些消减板块贯穿整个地幔深部，直达核幔边界。

Mantle：地幔

Anomalous…：异常的表面地形和构造活动与热物质从地幔上升和冷物质下降到地幔有关

Friction ...：岩石圈和地幔在不同方向移动导致的摩擦也能引起火山活动。

Cold ...：下降冷物质

Superplume：超级地幔柱

Hot ...：上涌的热地幔柱和超级地幔柱出现在热化学堆积物的上方，堆积物集中在炽热稠密核幔边界处

Thermochemical pile：热化学堆积物

Core：地核

说明；地质学是一个有古老历史的科学，研究地球构造活动动力的科学特指构造地质学，也可以泛称地学，地球科学是新兴起的名称。我认为还是以地质学为好，地学和地球科学的范围太大。

地质学（geology）是关于地球的物质组成、内部构造、外部特征、各层圈之间的相互作用和演变历史的知识体系。是研究地球及其演变的一门自然科学。

地质学(Geology)是对地球的起源、历史和结构进行研究的学科。主要研究地球的物质组成、内部构造、外部特征、各圈层间的相互作用和演变历史。在现阶段，由于观察、研究条件的限制，主要以岩石圈为研究对象，并涉及水圈、大气圈、生物圈和岩石圈下更深的部位，以及涉及其他行星和卫星的太空地质学（Astrogeology）。

地学是对以我们所生活的地球为研究对象的学科的统称，通常有地理学、地质学、海洋学、大气物理、古生物学等学科。

地球科学是以地球系统(包括大气圈、水圈、岩石圈、生物圈和日地空间)的过程与变化及其相互作用为研究对象的基础学科。主要包括地理学(含土壤学与遥感)、地质学、地球物理学、地球化学、大气科学、海洋科学和空间物理学j以及新的交叉学科（地球系统科学、地球信息科学）等分支学科。地球科学是一个大题目，纵横几万里，上下数亿年，几乎辐射到自然科学的其他各个领域。对地球的认识同世界各民族的起源、历史、文化乃至这个世界文明的进展，都是紧密联系在一起的。

地球科学指一切研究地球的科学，是行星科学的专门分支。各学科通常会以物理、地理、地质、气象、数学、化学、生物的角度研究地球。它和人类的生活息息相关，人们手上所戴的黄金饰品和钻石，都是来自地球的矿产资源；盖房子所用的砂、石、水泥，其原料也是来自地球；所吃的鱼虾，大都取自海洋；气温的变化影响生活甚巨；天体的运行，也时时刻刻影响着我们。因此，地球科学是一门很基础、很重要的的学科。

地球科学的范围很广，涵盖地质学、海洋学、气象学和天文学等领域。地质学在探讨地球的历史与各部分组成，包括其演化和各种矿学、岩石以及矿产的分布；海洋学在研究海水的运动、海水的物理与化学性质及海底地形；气象学在分析大气的组成、构造和运动；而有关地球起源、太阳系的形成和天体的运动变化，乃至宇宙的演化，均属天文学的研究范围。以陨石撞击地球为例：高温高压撞击地球的结果，势必引起地形与地质的变化；飞扬在大气中的粉尘微粒会遮蔽阳光，大气和海水温度因而降底。因此，看似简单的天文事件，却引起地质、气象和海洋的变化，可见各领域关系密切、环环相扣。

计算机模拟表明，地幔柱涌升的蘑菇头成为大量熔岩喷发的源泉，形成6700万年前印度西部的徳干暗色岩。[yhz5] 大量熔岩的喷发加剧板块的分裂，加快了印度板块北移速度。

南非内部[yhz6] 的陆地突起应改为南非内[yhz7] 陆的膨胀穹窿。

杨冬红, 理学博士, 吉林大学古生物学与地层学研究中心副教授。

[yhz1]您之前写的是地学，这里可以改为地质学吗，还是其他的，如地球科学？

[yhz2]这里是南非还是非洲南部，还是和后面文中对应的非洲大陆，内部是什么意思，请核实该提法

[yhz3]这段话好像没有解释清楚前一句提到的印度板块北移速度的问题。

[yhz4]是否还要增加杨冬红的介绍？

[yhz5]这段话好像没有解释清楚前一句提到的印度板块北移速度的问题。

[yhz6]这里是南非还是非洲南部，还是和后面文中对应的非洲大陆，内部是什么意思，请核实该提法

[yhz7]这里是南非还是非洲南部，还是和后面文中对应的非洲大陆，内部是什么意思，请核实该提法

塑造地球外貌的力量可能来自内部

已有 2673 次阅读 2012-12-14 05:28 |个人分类:科技点评|系统分类:观点评述| 板块构造, 差异旋转, 核幔边界, 热幔柱理论

30 塑造地球外貌的力量可能来自内部 /杨学祥杨冬红
科学画报 2012年12期
http://www.kxhb.com/30-31.html

摘要：

许多人认为魔鬼已经来了，其中最流行的的想法是世界末日正在开始。乔治·亨利希·克里斯特在1812年1月23日撰写了地震的系列文章，密西西比河谷的断裂解释了人们的大量死亡。两个世纪过去了，我们仍未接近真相。按照板块构造假说，美国中西部不是发生地震的地方。

需要解释的事例不仅仅是这一件。远离苏格兰西海岸被海水淹没的化石，南太平洋的海底火山，南非内陆的膨胀穹窿，整个世界我们都可以看到板块理论无法解释的地貌。

一项新的研究被接受，全部答案在我们的星球内部。如果是这样，它将撼动半个世纪以来建立起的板块构造基础。

地球在其深部发生了什么？在不属于板块理论的地域之下，板块理论的开创人美国地球物理学家贾森·摩根在20世纪70年代第一个发现板块理论解释夏威夷岛特殊地貌的缺欠。该岛远离太平洋板块边界数千里，而板块里理论认为，在板块边界线，火山喷发起源于板块脆弱地区允许热物质从地幔上涌喷出。摩根恢复了加拿大地球物理学家约翰·威尔逊的早期观点，主张在数千里之下地幔热物质构成的地幔柱（亦称地幔）上涌，打破了地球表面的地壳。

中国在20世纪90年代也兴起了地幔柱研究的热潮。傅承义教授认为，地球形成初期的密度分布是均匀的，后来由于重力分异，重物质下沉，轻物质上升，逐渐形成现在的分层地球。理论模型研究和实际测量表明，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢。1996年宋晓东等人在英国自然杂志发表文章指出，地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°- 1.8°。

地球内外圈层的差异旋转，使核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因。

在过去450百万年中地球旋转速率、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。在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、火山和热幔柱活动增强、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、火山和热幔柱活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。

火山热幔柱活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山热幔柱活动低谷对应全球气候变冷和地球自转减慢。历史数据证明，圈层角动量交换是热能集中在核幔边界的原因，是超级热幔柱剧烈喷发的动力和源泉。

距今252~247百万年前早三叠世时期是石炭-二叠纪大冰期和中生代温暖期的转折时期，超级火山喷发、致命高温与地球自转加速相一致。目前，地球气候也面临从第四纪大冰期向下一个温暖期的转变，我们现在正处于地球气候最坏时期的前夕。在致命高温发生前，一定要发生超级火山喷发，而核幔角动量交换是超级火山产生的原因，所以地球自转速度加快是超级火山喷发的前兆。我们有充分的时间应对致命高温的到来。

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