结束还是补充：科学家挑战地幔羽假说

              杨学祥

1912年，魏格纳（A·Wegener）提出著名的“大陆漂移”假说，在众多科学家的努力下，“板块构造学”理论得以确立，从根本上改变了人们对地球内部运动的认识。然而，板块内部及板块分离边界（洋中脊）上众多的隆起或海山是如何形成的，人类始终没有寻找到合理统一的解释。摩根（J·Morgan）提出的“地幔羽”假说曾在很长一段时间占据主流地位，但越来越多的研究发现让这一假说成为现今地球科学领域最大的争论之一。

2月14日，《自然》杂志发表了同济大学海洋与地球科学学院周怀阳教授联合美国伍兹霍尔海洋研究所迪克（Henry J·B·Dick）教授进行的研究成果，对这一沿用40多年的“地幔羽”假说提出了挑战。

“地幔羽”假说认为，地幔内部温度的局部异常导致的大规模岩浆涌出地表，形成了隆起或海山，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，绵延3100公里长的马里安隆起（Marion Rise）的地表，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平方公里大小的区域几乎完全缺失洋壳，地幔直接出露于地表，这段“薄洋壳”的发现，是“地幔羽”假说无法解释的。对此，周怀阳和迪克提出：温度异常显然不是造成隆起的唯一原因，也极可能不是主要原因，地幔的成分异常很可能才是控制洋中脊深度变化的主因。

这一研究令地球科学界感到振奋，被认为是为“地幔羽”理论“钉上了最后一根棺材钉”。英国剑桥大学麦柯勒伦教授在评述中说，如果这一对印度洋洋中脊的地质观测是正确的话，将对人类深入理解地幔具有重要意义。然而要验证这一假说，需要进行更广泛的地质取样和地球物理调查工作[1]。

理论推导和模型计算表明，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，在质量向地心集中的同时，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。圈层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，为热幔柱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[2]。

重力分异的动力来自地球组成物质的成分差别：重质（铁和镍）向地心集中，轻物质上升到地表，以此形成重力对流。由于地球自转，重力对流的结果导致地球各圈层的形成和差异旋转，圈层角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，这是热对流产生的原因。

换句话来说，地球内部由成分差异形成的重力对流和由圈层角动量交换形成的热对流是地球演化的两个过程，其中前者是后者的形成原因，两者并不相互排斥。地质变化和地球自转变化的一致性提供了确凿的证据。

Whyte指出，在过去4.5亿年中地球旋转速率、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。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如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、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、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制。

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，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[2,3]。

相关证据

现代火山活动有明显致冷的记录。短周期的对应关系是：小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。但是，火山长周期的对应关系却是：火山活动峰值与全球无冰期对应，而谷值与大冰期对应（见图1）。Larson给出了1.5亿年以来全球地磁、洋壳产量、古温度、古海平面、黑色页岩的异常变化，与图1 和图2的变化趋势基本一致。20世纪80年代以来第三代全球洋底磁条带图的研究，揭示了地表三大洋底在距今160 Ma（卡洛期末）、139 Ma（凡兰吟期初）和97 Ma（阿尔布期末）前发生过三次几乎同时的重大裂解作用。

北美火山活动曲线

 

图1 北美火山活动曲线[据Engel and Engel, 1964^[10]

 

古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，图5给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线^[13]。从图5中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。在15~25 Ma期间，地球自转处于增速阶段，目前处于低谷。

近5亿年来朔望月天数的变化

 

图2  近5亿年来朔望月天数的变化(据任振球, 1990 ^[13] )

 

 

 

表1  地球自转周期与地质旋回

时间   地球自转  全球气候   生物灭绝事件            热 幔 柱 喷 发 /Ma                                                                         形成物       体积/106km3

480     高峰      温暖期                                北美火山活动高峰 437     低谷  奥陶志留纪大冰期                  北美火山活动低谷 370     高峰  泥盆纪温暖期                         北美火山活动高峰 280     减慢  石炭二叠纪大冰期                  北美火山活动减弱 248     减慢                                                   西伯利亚暗色岩 230     低谷   二叠纪大冰期末                    北美火山活动低谷 160     加快   中生代温暖期                        三大洋底重大裂解作用 140     加快   中生代温暖期                        香港超级火山 139     加快   中生代温暖期                        三大洋底重大裂解作用 120~124 高峰      温暖期    不明显 (水下喷发)     翁通爪哇海台        36                                                                         北美火山活动高峰 110~115 加快      温暖期　　大规模生物灭绝        凯尔盖朗海台       变小 97      加快   中生代温暖期                     三大洋底重大裂解作用 65~69   高峰      温暖期　　恐龙灭绝，所有物种近  德干暗色岩         变小 　　　 　　　　　　　　　　 一半灭绝                         55~59   高峰      温暖期　  许多深海有孔虫类和    北大西洋火山       变小                             陆生哺乳动物灭绝      边缘 25      低谷      低温 15~18   加快      变暖         大规模物种灭绝        哥伦比亚河溢        1.3                                                                                 流玄武岩 10~12   高峰      变暖 0~2    低谷   第四纪大冰期                     北美火山活动低谷

 

对比图4和图5 ，两种曲线有相同的变化趋势：火山活动高峰对应全球气候变暖和地球自转加快，火山活动低谷对应全球气候变冷和对应地球自转减慢。表1给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝^[4]。在15~20 Ma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16.4~15.7 Ma。可以对比的是，在15~25 Ma期间，地球自转处于增速阶段，火山活动强烈。这种对应并不是个例，叶淑华院士指出，在距今0.65-1.4亿年前的白垩纪，地磁场突然倒转，岩浆活动非常剧烈；大气温度比现在高18℃左右；海平面比现在约高150米；地球的自转变快；古生物大量灭绝；大气中CO₂的含量十倍于现在；陨石增多^[15]。在此期间，地球自转速度处于峰值。与此相反，437 Ma的奥陶-志留纪大冰期、230 Ma石炭-二叠纪大冰期、2 Ma第四纪大冰期以及25 Ma第三纪变冷期都对应地球自转速度低谷和北美火山活动低谷。

根据地质和气象等综合数据，表2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图4和图5地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据^[2]。

 

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转^{[1, 2, 16, 167]}

 

地质界线	新生代/ 现在	中生代/ 新生代	侏罗纪/ 白垩纪	古生代/ 中生代	石炭纪/ 二叠纪	下古生代/ 上古生代
年代/102Ma	0	0.65	1.36	2.25	2.80	3.45
地壳自转	减慢		加快		减慢
火山活动	喷发最弱	喷发中等	喷发最强	喷发中等	喷发最弱	喷发中等
海陆变动	大陆为主最大海退	由主要是海变为大陆	最大海侵	由主要是大陆变海	大陆为主最大海侵	由主要是还变到大陆
气候变化	第四纪大冰期		温暖期		石炭二叠纪大冰期
陆海分布类型	大陆集中在北极		大陆分散在赤道		大陆集中在南极
造山作用 生物灭绝	第三纪大褶皱		白垩纪恐龙灭绝		石炭二叠纪大褶皱
地磁极性	反向		正向		反向

 

 

参考文献

1. 曹继军，颜维琦。科学家挑战“地幔羽”假说。发布时间：2013-2-21 10:37:48科学网。来源：光明日报。http://paper.sciencenet.cn/htmlpaper/201322110374813827847.shtm

2. 杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。http://manu16.magtech.com.cn/geoprog/CN/volumn/home.shtml

3. 杨冬红, 杨学祥.香港坐落史前超级火山上：温室效应和巨大火成岩省的关系. 2012-9-20 04:02 科学网。http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-614565.html