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网状周期性地球构造动力的合力场强度解释(3)
李务伦(吉林省煤田地质局二0三勘探队) 李相通(黑龙江省林业设计研究院)
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南太平洋和非洲下部存在大型低速切变区,又称LLSVP(large low seismic velocity province),这两低速切变区是对趾的。从上个世纪被发现以来就备受瞩目,丸山茂德据等此提出了地幔柱构造说[3]101。不同学者对这两个大型低速切变区做了不同的研究,都想通过对它们的研究,想取得对地球演化过程的新认识。这种低速切变区除此两个外,目前在它处也有存在,如冰岛、乌拉尔山脉、西伯利亚等大约8处[98]。
关于大型低速切变区马里兰大学的地球物理学家发文认为:它具有炎热、大密度的结构[99]。它位于太平洋和非洲大西洋2000km以下,是喜马拉雅山高度的100多倍[99]。2019年11月腾讯科学WE大会,美国加州理工学院科学家Jennifer Jackson发布了核幔间物质展布最新形态,这两个“大型低速切变区”新的成果图如图6-22所示。从图中可以看出它们的规模很大,高度在一千千米左右,总面积和大陆总面积相当。2019年3月马里兰大学的地质学家Ved Lekic,在一次演讲中表示:“它们是地球内部最大的结构存在。但至今都不知道它们是什么,从何而来,存在了多久以及会对地球产生什么影响”。对此研究的还有:2016年剑桥大学桑娜·科塔尔绘制这两“大型低速切变区”3D地图;2018年牛津大学博士生Maria Tsekhmistrenko也对这两“大型低速切变区”做了研究,给出了他的3D图成果,他发现它们的最高处或许有炙热物的羽流分枝,可能和地表下的火山热点联系在一起,影响到地表板块构造和火山地质活动。由此可见学界对这两“大型低速切变区”的重视。
关于大型低速切变区的物质组成或来源有三种观点:[99]一种认为组成低速切变区的物质主要来至俯冲(Christensen and hofmann ,1994;Brandenburg and Van Keken,2007;Nakagawa et al,2009;Tackley,2011);第二种认为低速切变区主要成分是地幔原始物质的残余(Wen,2001;Wen et al,2001;labrosse et al,2007;Lee et al,2010;Nomura et al,2011;Deschamps et al,2011);第三种认为低速切变区的物质组成主要是地核冷却过程中核幔边界分异的产物(Buffett et al,2000;Kanda and Stcvcnson,2006)。黄川(2017)通过热对流模型模拟,认为与俯冲的玄武岩有关[99]。
因此根据前面的分析,可以比较肯定认为低速切变区的物质组成应是分异而来,并且是大密度的。这也就说明图6-22中的GH的存在是由道理的。大密度物质的位置降低,位能转化为热能,加之“重核素”分异而产生的富集,核衰变热的加入,使得低速切变区具有了高温大密度的特征。
从6.7.1到6.7.4所述证据,基本肯定了热结构的存在,这种热结构的底界是核幔边界(冷伟)[102];倪四道等人的研究认为地幔存在混合对流模式,即有些区域地幔分层对流、有些区域上下地幔整体对流[102];北京高压科学研究中心,陈久华研究员根据对下地幔矿物布氏岩(Bridgmanite)与镁方铁矿(magnesiowüstite)组合的高压流变实验结果,及长期以来地球物理观测结果的分析,提出地球内部的矿物实际上在以一种混合模式对流(图6-23),该论述发表在2016年1月8日《科学》杂志[103]。但根据对热结构的形成分析认为,即便观测到混合对流,根据对组成地球元素和原子形成矿物的组合,混合对流最终也会演化成全地幔对流。
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图6-22[101]
图6-23 地幔对流混合模式
从上面所列证据看,低速切变区较为肯定的与热结构有关,但现实的洋中脊的位置有些位于其上,有些又与之无关,这就是人不得不产生这样的疑问?大西洋的洋中脊,现在被证实的唯有冰岛存在明显的低速切变区,其它地方并不明显存在低速切变区,但大洋依旧扩张。
很早就有一些学者发现African超级地幔柱正是位于Pangea超大陆下面,并形成了陆地表面众多的大火成岩省,而对跖的Pacific超级地幔柱则形成了海洋里众多的大洋玄武岩高原和洋岛等。这一发现暗示超级地幔柱与超大陆之间存在空间位置联系。为进一步证实这一关系李正祥和李献华老师等合作者,从岩浆、沉积和构造等多角度入手得出的结论是Rodinia超大陆下面存在超级地幔柱,并且正是该超级地幔柱造成了Rodinia的最终解体。其次,对于Nuna/Columbia超大陆,近几年不断识别出的中元古代大火成岩省同样支持了其下方存在超级地幔柱。目前已经有足够的古地磁数据表明至少Rodinia超大陆曾经位于中-高古纬度,相对应的超级地幔柱也是产生于中-高古纬度,这两者之后会伴随真极移(true polar wander;理论预测地球地幔或其表面的质量重新分布会导致整个地球
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相对于其旋转轴运动,以使得地球的最大惯性矩轴与其旋转轴对齐,从而实现地球旋转能量的最小化)而运动到赤道附近。因此,我们认为超级地幔柱并非一直固定在赤道上,而是与超大陆的位置紧密相关。另外通过搜集统计全球大火成岩省的年代学数据,可以很直观地发现大火成岩省的活跃期总体上对应于超大陆解体,而寂静期总体上对应于超大陆聚合(图3-12-2)。这样的时间关系说明超级地幔柱并非永恒存在的,其形成与消亡和超大陆演化是同步的。这一段来自文献[45]。
从上面的分析,不难得出这样的暗示,超级大陆的裂解与低速切变区有关,但并非因果关系。虽然非洲下面存在低速切变区,也存在东非大裂谷,但是依据热结构的分析,有些大洋脊下目前尚无报道大洋脊下存在明显低速切变区的报道。可大西洋仍在扩张,印度次大陆仍在北上,因而看来形成推动热结构运动热能不会是单一的。在5节中提到地球热能生成有4种方式:①放射性生热;②地球凝聚时一部分引力位能转换为地球内部热能;③地球凝聚时一部分重力位能转换成地球内部热能;④地球的旋转动能转换成内部热能。这四种方式生热已是学界共识,但也有学者提出其它地球热能的来源:滕吉文院士提出暗物质说[20、95],杨志华元素燃烧质能转换说[104],毛小平中微子说[30]等。到底是那种能量导致热结构形成,或那种能量为主、还是各种热能叠加导致热结构形成,这可能要涉及凝聚态物理、量子物理、热统计物理等,甚至是天体物理;加之外地核是液态的,压力超过140万个大气压,这种超过固态液态,到底是什么属性?物理学家也没有,至少没有收集到较为全面的资料说明其性态属性。因此认为解决地球核部热能来源及展布和物质展布,地质学家、地球物理学家,在此以为应向物理学家请教或请他们加入到地球内部,特别是核部热能来源及物质展布的研究中来,才可能解决热能的来源问题,进而才能解决洋脊走向,陆内成山、成盆及它们之间的因果关系。尽管有学者发现盆山耦合,但终究是难以说清问题的本质。
在地核热能的来源上,也有学者做了不错的研究。下面简述杨学祥教授等关于地核热能问题的研究[105]。1996年发现了地球内核快速自转。Glatzmaier和Roberts运用三维时变磁流体动力学方程,进行地球发电机模型的数值模拟,得出内核自转比地幔和地壳略快。其它学者通过不同的工作方法也得出同样的结论。马宗晋根据地质资料提出核、幔、岩石圈三者差异旋转推论。为验证马宗晋提出差异旋转推论,探索核幔边界(CMB)热动力形成的原因,杨学祥等研究了自然条件下的重力分异和热对流,计算结果表明两者可以分别产生圈层有序差异旋转和圈层无序差异旋转。
杨学祥等的研究取得了如下三个成果[105]:①自旋体中物质的垂直运动必然产生水平运动,其实质是绕轴差异旋转;②重力分异使地壳地幔减压膨胀吸热,使地核增压收缩放热,CMB是正负热源的热交换界面,有最大的热流量;③自转系统有不同于自转系统的能量转换方式,在重力分异中,重力位能的降低并没有完全转化为热能,其中有一部分转变为地核的自转能,这使地核不仅有巨量热能,而且有巨量动能,CMB不仅是热交换界面,而且是角动量交换界面。理论上确定了CMB的特殊能源地位。
他们的计算表明:均匀地球的自转能0..92×1031J,差异旋转后的自转动能为1.97×1031J,即1.05×1031J降低位能变为地核的自转能。经过圈层角动量交换,地球按统一角速度旋转时,自转动能变为1.1×1031J,
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有0.87×1031J自转动能变为热能积累在内外核幔边界和核幔边界,是外核呈液态的原因。进一步的计算数学模型表明:一个同速自转的均匀地球演化为一个差异旋转的分层地球,重力位能降低释放出的能量为2.3×1031J,其中1.05×1031J变为地核的自转动能,1.25×1031J变为热能是地核增温。
他们更一进步模拟计算表明:内外层物质完全换位一次,在层间物质不发生角动量交换的条件下,新内层的自转速度是新外层的10倍,整个系统的自转能增大到原来3倍。当热对流终止后,内外层的角动量交换又把自转动能变为热能积累在内外层边界,加大了液核的温度梯度,产生下一轮的对流。这表明地球内部的热能释放不是一次完成的,而是一个热能释放交替的波动式释放过程,并伴有体积的膨胀脉动。这与白垩纪以来5次岩浆喷发且喷发强度逐次变小相一致。
关于地球磁场的倒转,他们研究认为:重力分异使地球产生内快外慢的圈层有序差异旋转,形成地球的基本磁场。强烈的液核对流使液核上层转速最慢,破坏了原来的圈层速度结构,形成无序差异旋转,使地磁基本场转向。由于液核热对流流速远大于地幔,使大量热能堆积在CMB,不断减少液核中的温度梯度,最终导致热对流终止。这时积累到最大值的内外核差异旋转速度通过角动量交换使液核旋转加速,恢复圈层有序差异旋转,使地磁性在此倒转。角动量交换把内核自转能变为热能积累在内外核边界,为下一轮热对流创造不断加大的温度梯度。这样的循环在地史上反复发生。
他们的研究认为天文周期控制者地球内能的释放:内核差异旋转为太阳斥力通过影响核幔角动量交换和电磁耦合来控制地核能量释放提供了力学机制,并形成明显的地核能量释放的太阳系轨道周期和地球轨道周期。计算表明,旋转星体的收缩,使位能转变为热能和自转动能,使整个系统增温和自转加速;旋转体的膨胀,使热能和自转能转变为位能,使系统降温和自转减速。太阳系从远银心点运行到近银心点半径增大4.9%,地球公转速度减少9.8%,位能增加5.2×1032J,其中一半转动能减少补偿,另一半有热能减少来补偿,相当于每年减少热能1.7×1024J。太阳每年向地球供给热量为1025J,其中绝大部分又向空间辐射出去。地球轨道使地球接受地球太阳的热量和斥力以10万年周期交替变化,并使地球内部热能同方向周期性波动释放,这是Milankovitch旋回在太阳膨胀时期产生冰期与间冰期更叠的原因。太阳系膨胀和地球膨胀使地球公转速度和自转速度变慢,太阳斥力和地球偏率变小,将造成相应的构造运动。如阿尔卑斯期构造运动处于从远银心点走向近银心点时期;海西构造期亦处于近银心点附近。太阳从远银心点到近银心点,日长平均增加3小时;从近银心点到远银心点,日长平均减少1小时。大的速度差对应大的构造运动,这与前面3.4.3节中,通过合力强的解释旋回、韵律,方法虽异,结果相同;地外对地球的作用不容忽视。
杨学祥等的这些研究,无疑是有意义的,但这些研究从各洋洋脊的展布看,仅有分异能看来并不能解决问题,因为这些研究是一种平均效应,体现不出差异的热能展布。这就不能部联系到热结构下部分异出的大密度物,如何受外部强度的作用,及大密度放射性物质受外部强度的作用进入到外核后的展布。前面提到核部的热能展布,应遵守物理规律,但限于凝聚态物理、量子物理、热统计物理和天体物理的知识,
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不便多说。不过地球自转强度和地外合力强度影响着大密度物和放射性物质的展布,是可以肯定的,这些强度的周期性改变,特别是地球自转强度,对处于液态中的已通过热结构汇聚的放射性物质起到干涉作用,快时向赤道方向汇聚,慢时向两极方向运移,放射性的能量叠加于前述的热能上,加之科里奥利力,造成放射性物质的错断,因而上部表现为转换断层形成和大洋脊下,即便低速切变区不明显,也存在热结构的可能。下面的叙述只能如上简单认为地球自转强度、外部合力强度及热能引起的沉浮强度和它们的变化周期共同影响其展布。陈志耕老师《地核物态及其量子地球动力探讨》,是有益的,但以对热能的展布需求的要求,认为还有距离,可对核部和核幔边界能量和物质展部已有了良好开端。
网源热结构中,各热结构热力并非相等,有弱有强。强的热结构会扩张,弱的热结构会因强的的扩张收缩而被吸收(死亡),在这个过程中岛状小密度物会漂移合并;当强的热结构继续增强,所有弱热结构吸收,强的热结构成为大的点源热结构,这时小密度物第一次汇于一处,这应是大陆漂移和联合的原因。但需要指出的是,热结构到最强时,在某一时刻会减弱,并与小密度物,保持力的平衡。而此时的热结构顶部成为了今后的泛大洋。
图6-24 潘吉亚大陆
尤阿陆核型超级约形成于3.0Ga;哥伦比亚古陆块超级大陆是由Rogers等于2002年复原的,它存在于2.0Ga到1.8Ga间;罗迪尼亚陆块型超级大陆是由Hoffman1991复原的,它存在于1.1Ga到0.8Ga间;潘吉亚超级大陆是由Rogers于2003年复原的,它存在于257Ma到205Ma间,如图6-24所示。关于其它超级大陆存在,在此不做说明,仅以潘吉亚超级大陆存在加以说明。潘吉亚超级大陆是距现今最近的一次大陆聚合,复原的可信度应最高。从图6-24可以看出,当网源热结构不存在时,仅剩下点源热结构后,泛大洋形成,小密度物根据方程(6-1)和(6-2)发生漂移最后如图6-24式聚于一处,成为超级大陆,泛大洋出现。
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图6-25 小密度开合-威尔逊旋回
前面的表述仅是简单的说明了小密度物的集中,但没有阐述小密度物的集中的道理。下面依据球内性质阐述小密度物的集中过程。假如热结构最后仅剩图6-25a中的两个,上部热结构扩张势头大于底部热结构的势头。上部热结构不断扩张,扩张的热结构对外部形成挤压,或俯冲或形成被动大陆边缘;同时底部压力亦同步增强,快速增加的负压除在6.4节中的上展外,因扩张对外挤压,增加的负压还对核外物质形成吸引,形成图示的物质相对运动,相对运动的物质间形成滑脱面。图中2号箭头代表了受热结构挤压物质的运动,3号箭头代表了受热结构吸引物质的运动。在一挤一吸的作用下滑脱面形成,挤压力随着远离挤压面,作用越来越弱;而负压的吸引作用,逐渐斜下向压力小的方向发展,直至与底部热结构压力最小的地方相连,使得底部热结构的物向上部热结构运移,因而底部热结构规模越来越小。逐渐减小的热结构,分异的大密度物也同步减少,同时受上部热结构的负压作用大密度分异物也向上部热结构运移,这更加快了底部热结构的减小,使得上部热结构越来越强,反过来又加快了下部热结构的减小,俯冲带明显。上述过程反复进行,形成图6-25b,继而形成图6-25c。同步的滑脱面以上的受挤压物质在滑脱面上滑动,并带动小密度物一起准同步运动,运动方向如图6-25a、b中1、2号箭头指示的方向既是,小密度物漂移出现。
这样的分析得到的的漂移,存在以下三个证据:①大陆根四五百公里,这从图6-5a、b中可以直观的得到,因为小密度物下的物质与小密度物同步运移;②南非、南极金伯利岩侵位年龄远小于金伯利中金刚石年龄,南非南极喷出的金伯利岩均位于古老的大陆下,也就是位于大陆根下;③图1-5中西北、北部、东部太平洋俯冲带,向大陆下俯冲。从而恰好间接证明对流存在,对因大陆根的存在认为:大陆难以漂移的顾虑也就可以打消。因而对流应该不是一种不可存在的,应该说离开对流大陆漂移毫厘难行。当仅剩下上部热结构后,它的顶部是未来的泛大洋之地,小密度物占据的地方是未来的联合大陆。
事物总是盛极而衰,图6-25c的热结构达到最强时,它对外部形成的挤压,和外部形成的反挤压作用
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在某个时刻达到力的平衡,造成没有新的物质补充,分异减弱,热结构开始萎缩。与此同步是,当小密度物因上部热结构的横向挤压相联接,这是下部的热结构可能不在存在(图6-25c);但持续的上部热结构扩张,引起小密度增厚,底部范围较小。虽有球内性质规范物质的展布,但也可造成物质随挤压增大而形成盈余,同时这也是上部热结构对小密度物及下部物质做功的过程,到挤压反挤压达到最大时,盈余和做功达到最大。由于小密度物及小密度物下部物质受迫,上部热结构对它们做的功将转变为热能,使得它们普遍升温,这一升温叠加到核部,将产生新的许多点源热结构,或点、或线、或链、或网,其中一些中途夭折,在小密度上部留下各种痕迹-堑、裂谷等。为方便叙述,在图6-25d中小密度物下仅给出一个热结构。新的热结构快速增大变强,根据非州、印度德干、四川大的溢流玄武岩省,这种新结构形成的早期可很快刺穿小密度物。随后形成图6-25e刺穿小密度物下的热结构。这一热结构在发展壮大的同时,将形成图示的新的滑脱面。不断壮大的下部热结构形成横向挤压,使得小密度物及小密度物下物质图示的向外运移,侵夺上部热结构,使得上部热结构的范围逐步变小,俯冲带明显,逐渐到达图示6-25f下部热结构,这一热结构对外部形成挤压,或俯冲或形成被动大陆边缘。这时得图6-25f下部热结构逐步达到达到最强,上下热结构间形成平衡,小密度物及小密度物下物质运移停止。在这一过程中底部热结构对上部热结构做功,使得上部热结构获得新的热能,它叠加于老的热结构上,从而产生新的异与老的热结构的新热结构(不要误认为是永动机,前面已论及核部热能的复杂和现在没有搞清展布和来源规律)。新的上部热结构如图6-25a,它将重复以往的相似过程,进行下一个威尔逊旋回。
下面补充说明的是,上述过程是理想化的,实际的要比上述表述要复杂的多,仅是简单说明漂移的原理。更复杂的漂移过程非得解决能量及核部物质展布物理规律,才能得以说清,本文只能限于此。
这种过程可反复进行,四个超级大陆的形成与裂解[3/186-189],恰好可以证明这一点,这一点还可以从图6-24潘吉亚超级大陆裂解为图6-21更能说明。
需要补充的是由于此阶段,处于地球的主要形成期,受星子冲击,上述所述小密度物的开合,并不明显,而是小密度物与热结构顶端相对均匀的布于地表,到温度保持降低,小密度物硬化才有明显的开合,同时还要受星子的随时破坏。李正祥等对火成岩省,与大陆旋回存在某种时间耦合性,从图3-12-2,时间长度约为两个银河年,地球16次穿越银道面,银河系合力强度如何影响地球核部能量与物质展布,不得不得而知,因此再次强调应考虑量子力学、凝聚态物理等的理论的作用。
前面综述中,提到高速平动的的粒子。它们随机存在于热结构中,据式(4-1)、(4-2)知,可形成温度高于周边的高温小的粒子热团。但这种小的热团又以含微量大离子半径元素多少,产生区别:微量大离子半径元素多于热结构中大离子元素平均值,热团密度与热结构中的周边密度差别较大;否则则较小。自然含微量大离子半径元素小密度热团因浮力强度上升速度快,在上升过程中不断与同样的热团汇合,形成大
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的热团,热团出露后形成热点。图6-5中,热团在热结构中,以黑色圆点示之,它们出露后,形成大大小小如图1-8,图6-15到图6-20的热点。洋岛玄武岩、洋脊玄武岩和岛弧玄武岩存在图6-26[18]88的差别。图6-26中以镝(Dy)、钇Y为分界,左侧离子半径,除Nb、Ta、Zr、Hf外小于90pm外,尚有U、P、Ti、Tb离子半径存在大于或小于90pm的情况;右侧离子半径小于90pm的有Ho、Er、Lu三元素,而Tm、Yb两种元素也存在离子半径大于或小于90pm。因查不到在岩石中的赋存状态,不敢断言在左侧元素赋存半径都大于90pm,右侧都小于90pm,但左侧21种元素中13种半径大于90pm,右侧5种元素,三种小于90pm,因此推测洋岛玄武岩、洋脊玄武岩图6-26的差别,在此认为:这种差别恰是粒子热统计分布,高温粒子富集,且微量元素大半径粒子,是所成物质低密度造成的,这一推测性结论可以佐证热结构的存在。如果左侧元素在岩石中均大于90pm,右侧元素在岩石中均小于90pm,对证明热结构的存在将更有力。
海底不论洋中脊,还是其它地方,热点随处可见,它们有规律或无规律,这可以从本文的谷歌地球截图上看到,这恰正证明粒子的麦克斯韦速度分布的正确。热点的形成因压力的关系,可深可浅,因此热点有的源于核幔边界,有的源于地幔中,正说明热团物质形成的随机性。
图6-26
这种热点解释,与威尔逊的解释相左,根据热物理理论无疑是对的,当然不排除还没有认识到到的因素,做为一种观点叙说于此,请老师们指导!
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据学者估算4.3Ga前地核已具有现在地核的3/4,地幔也几乎成为固体,但地幔内部的热对流仍十分强烈[79]29。阿莱格尔认为:以二氧化碳为主的大气圈在4.4Ga前已形成,是现在大气的85%左右,温度曾达500至600℃,大气压力是现代大气的300倍[79]29。
在此对“地幔也几乎成为固体”提出如下的看法,由于地幔处于高温高压,根据克拉柏隆方程,其相态为固相或高温高压固体,与常温下固体有着本质的差别。
根据前面划分,星子减少到极稀疏,原始地球地表开始降温不明显,但根据阿莱格尔的表述和克拉柏隆方程,此时或更早地,酸性的液相物主要汇聚于热结构顶部。因为4.4Ga前,大气压为现代大气压的300倍,热结构的顶端,更早一些时间可能已出现固相,其底面莫霍面出现。在此下某个深度,在第Ⅰ阶段根据克拉柏隆方程也存在固相,这一固相与莫霍面形成软流圈。
此时小密度物也具有了一定的厚度,内部也进行着属于该层的热结构运动。但与酸性大气及液相接触的小密度物和混合体物,新的环境已形成。这就形成了新的以化学为主的不平衡。这将改变小密度物和混合体物表层的物质构成,使得粒子间总体上看具有更合理的内能,因而粒子间释放热能。而新形成的在混合体上的物质,随热结构又于俯冲处向下运动,一部分进入小密度物下部,一部分随热结构运动。这样又改变热结构和小密度物的物质组成,同样也会释放热量,这样又促进小密度物和高混合体的热结构运动和物质的分异。其实在上述过程,在热运动一开始就存在了,只不过不明显。
此阶段星子对原始地球撞击一再稀疏,甚至偶尔。星子对热结构的影响破坏较之第一阶段几乎不计,但此阶段星子的撞击,造成局部的质量过剩和局部再急升温,从而影响等压力面和产生新热结构。等压力面的改变,引力和热力必对其调整,以建立新的全球等压力面。而此时6.8中所述小密度物的聚合、离散已趋于明朗。此阶段小密度物分异出的较多。热结构运动较为激烈。
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到此阶段,大气明显降温,流体对小密度物作用显现,表层由固相转为常温固体,也就是壳出现。这样就出现新的一系列问题。
温度的降低,表层固化,从热统理论看,只不过是内能的减少,粒子间距离变小。而对于表层下还处于高温的,则将依据克拉柏隆方程处于固相,它是壳的一部分,如图8-1所示。而莫霍面也因温度的降低而下探,软流圈减薄。固化的表层既向外导热也阻热。同时放射性粒子铀、钍、镭、钾,具有大离子半径,所形成的粒子密度小,多积聚于小密度物中,从而补充热能的散失,可使小密度范围的壳的厚度保持稳定;而位于热结构的顶部的壳由于热结构的上升运动,不断的补充散失的热能,使的壳的厚度保持稳定。壳即板块学说的板。
图8-1 降温后的表层变化示意图
前述的两阶段由于小密度物处于高温下,最次其性态也应为塑性,所产生的物理化学变化,不可能产生地质及形变记录。温度降低,物理化学变化及小密度物形变,沉积形成,地质记录开始。从最早的沉积岩锆石碎屑年龄知,地球降温应不晚于此时,甚至更早一些,而稍大星子汇聚地球应属偶尔。这种偶尔出现,也应主要集中在太阳系穿越银道面时发生。
壳的出现,此时分异出的小密度物活动将受到限制,在靠近热结构的地方如图8-1示底部的集聚,根据等压力面原理,其对应的上部隆升。隆升的地方风化,在球内性质、水和风的作用下将向低洼处运移,从而形成图示的沉积物汇聚,盆地出现。位于热结构一侧的沉积物的增加和小密度物的集聚,使得方程(6-1),FX<0,海沟后退,热结构收缩;当沉积物不断增加,使得沉积物底部小密度物产生断裂,产生地震,造成减压,根据克拉柏隆方程产生岩浆,形成上升。上述过程发生的同时也造成该处的等压力面的改变,合力强度必对其此处等压力面调整,传至热结构的底部附近,使得附近大中小密度物受压升温,使得热结构扩大;造成热结构扩大原因还有,风化物通过海沟回归地幔,改变幔的物质结构和环境,从而释放热量,因而FX>0,海沟前进,沉积物发生褶皱同时还伴有变质。这种过程可反复发生,槽的沉积规律与这种过程反复发生相符合。
位于隆升左侧不断的接受沉积积累,沉积积累将逐步的破坏原有已趋于平衡的等压力面。假如此时为小密度物又一次全部居于一处,正如6.8部分所述,核幔处必有许多点源热结构形成,直至网源热结构出
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现,而最强的链源热结构将小密度物及其上部的沉积物一同撕裂,大陆漂移出现。而夭折的链源热结构和星源热结构及点源热结构以地堑、穹隆等被记录,构造出现。大陆聚开合可查的已有四次。对于地球自转速度,月球对地球周期性引力,地球周期性穿越银道面所受引力,下面通过建立合力强度方程讨论他们的作用。
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前面的分析已经证明热结构的存在有一定的合理性,而在分析热结构时,没有考虑地球自身引力场、自转离心力强度、月球引力场、太阳引力场以及银河系引力场的对热结构的作用。现在将热结构放入这些场中考虑,在考虑地球引力场时,先假定地球为是由均质物质形成的,即仅与恒定的密度和球半径有关,即式(3-27)至(3-30);其它引力场由于距离地球较远,认为为引力线平行,表达式为(3-39)。而热结构上升部分由浮力强度式(3-45)表达,下降部分因海底由洋脊处生成后,到回返的俯冲带一直降温,因此在海沟下存在沉力强度,同还存在因热结构上升带来的负压,负压的形成是有浮力强度带来,负压也可表述为负压强度,因此负压强度的大小等于负的浮力强度。有了这些分析,下面先建立上升热结构的合力强度方程。
设在图3-11中的A点,浮力强度与Z轴夹角为λ,在XY平面内与X轴夹角为μ,因此浮力强度在各轴的分量如下:
…(9-1)
…(9-2)
(9-3)
将上述三式与式(3-40、41、42)对应相加,其A点合强度为:
…(9-4)
一般情况下:地球内部密度随半径变化,即ρ=ρ(r),球内引力强度换成式(3-8),于是得:
…(9-5)
下面再建立俯冲带下热结构回返强度方程。设在图3-11中A点,沉力强度与Z轴夹角为θ,在XY平面内与X轴夹角为δ,因此沉力强度在各轴的分量如下:
…(9-6)
第98页
…(9-7)
…(9-8)
设在图3-11中A点,负力强度与Z轴夹角为γ,在XY平面内与X轴夹角为ψ,因此负力强度在各轴的分量如下:
…(9-9)
…(9-10)
…(9-11)
上述从(9-6)到(9-11)与(2-40)、(2-41)、(2-42)对应相加,A点强度为:
…(9-12)
一般情况下:地球内部密度随半径变化,即ρ=ρ(r),球内引力强度换成式(3-8),于是得:
…(9-13)
有了方程(9-4)或(9-5)和(9-12)或(9-13)及(6-1)和(6-2)就可以讨论以下问题。
马宗晋院士系统的对地球韵律做了总结,见表1-3,地球各圈层主要地质事件的旋回周期,以及地史上35Ma左右的重要地质事件集中期(表1-2)与太阳系穿越银道面的时间对比(图1-9)。这些规律用方程(9-4)和(9-12)及(6-1)和(6-2)极易得到解释,因为Ew包含了月球绕地球具有日周期性、月周期性引力强度变化;地球绕太阳运转年周期性引力强度变化;太阳系绕银河系一周约2.5亿年,太阳系绕银河系一周过程中,八次穿越银道面周期性引力强度变化。正是这些周期性引力强度变化,留在了地质记录上,由于目前手头资料还不多,不便多说,但这些周期性一定在各种构造中留有记录,甚至影响到学说的形成,多旋回构造学说虽没有明确说明这些周期的作用,一次次的旋回在此认为应于此有关,其实还可以看到脉动的特征。事实上在地球的演化过程中,各种地质作用是一个整体,它们相互制约、互相影响、不可分割;合力强度方程的建立无疑为这些影响、制约及不可分提供理论上的支持。
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陨击能否影响全球性的构造事件?黄川、傅容珊二位老师的模型研究,10Km陨星造成的地幔对流微弱,100km陨星影响上地幔对流格局,但在此认为一定规模的陨石不论以何角度落到地球上,根据前面对等压力面的形态推定,上规模的陨星将明显破坏等压力面,从而影响全球等压力面调整,至于影响到地质构造到何程度,目前不敢多言,但可以肯定的是要看对方程(9-4)和(9-12)及(6-1)和(6-2)作用大小,问题留待今后。
地质力学是以地球自转为动力的构造理论,自转时快时慢,遵守角动量守恒定律。但从方程(9-4)和(9-12)及(6-1)和(6-2)看,角速度只是其中一项,对自转的作用有些过度强调,随着板块理论的西来,现已处于低谷。但从上述公式中,地质力学中的经向构造带,纬向构造带还是有理论根据的。1990年,Doglioni认为地球自转导致了板块运动具有图1-4的形态,从上述公式中,角速度的改变,离心力强度的改变量,以赤道处最大,向两极逐渐变小,因此图1-4形成不言自明。因遵守角动量守恒定律,离心力强度也存在周期性,图3-12-1波浪状交织的存在,虽非完全由自转变化造成,可是一个主要因素。Meyerhoff等列出了54种朝东定向的构造现象也可有上述公式得以解释。
从上面的简单陈述看:无论是地外场强度,还是离心力强度根据上述公式看无时不在影响着地质构造,只不过是因时因地强弱不同,所以单一构造理论遇到难以逾越障碍是在正常不过的事情。再比如重力作用,在上述式中也有体现,当某一半径下,物质存在分布的变动时,引力强度也将改变,重力作用自然得到体现,如(9-5)和(9-13)。
断块学说建立在以地球自转为动力的基础上,考虑了考虑了地球的章动和晃动,科里奥利力的作用,从而形成X、Y、V、Z、I型体系统性构造,在前面的合力强度公式中没有章动和晃动及科里奥利力项,但自转、地外引力场周期性的变化,以及浮力强度的变化,都会造成构造体系的变化和形成。如前面提到的纬向、经向构造,波浪镶嵌构造。地洼学说认为大地构造单元有三种类型:一地槽区(活动区),二地台区(稳定区)和由稳定区转化而来的第三类区“活化区”。活化的动力,来自地壳构造通过“定”转化、递进发展的动力源,在于地幔软流层物质因所含放射性元素发生变化,引起温度、密度的不均一而发生蠕动,导致岩石圈热能聚集与消散交替的结果。这与前面小密度物下,因上下应力积累而做功,功转变为热,形成CH有着相似。“温度、密度的不均一而发生蠕动”相当于式(9-4)E浮,它的作用使得稳定的地区改变,甚至可以发展成海洋。而涌流构造和层块构造的热涌,也应是由以E浮为主的贡献所形成。上面通过建立热构造运动强度方程,并由强度方程分析了一些构造运动学说与强度方程的关系,这种分析可能离原构造学说的精髓并不到位,因此期望能有抛砖引玉的作用,以利新的学说更深刻揭示构造运动的动力本质。
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前面在讨论热结构时没有涉及物质向上运动时物质的相变,下面通过热力学方程涉及这一问题,同时讨论地球向外空间释热的规律及与之相关联的一些问题。《地球大龟裂--地球演化动力学新思考》是唐春安教授(2015年)提出的一种新的地球动力学说,这一龟裂学说,通过热力学方程解释了地球的热能与外太空的热能交换,使人们认识到外太空的冷也会影响着地球的演化进程,是不可忽视的,它开阔了人们认识地球演化的境界,是这一学说的成功之处和亮点。根据前面的叙述,在此窃以为它也存在不足,如:海洋与陆地如何分野形成、俯冲带又如何存在、山系如何形成、陆体如何运移等一系列问题并没在此学说中鲜有论及;如错解唐教授的原意,请谅解。因此在此吸取龟裂说的成功部分来说明地球释热对地球的影响。下面借用唐春安教授(2015年)《地球大龟裂--地球演化动力学新思考》一文中的核心内容思想,讨论地球对外太空释热引起的一系列问题。
唐春安教授根据诸多事实,提出地球大龟裂学说,也成功解释了诸多地质现象。他认为:“地球演化的历史是一部地球热能在冷—热周期不断转换中渐进衰变的历史(图1-1)。地壳与地幔物质在热平衡条件下的不断相互转化,诱发了一系列以升温与冷却、膨胀与收缩、熔融与凝固为特征的地表变迁史。宇宙的寒冷注定了活力四射的地球将最终趋向衰亡,但地球内部以放射性衰变产热为主的自身产热,却是维系地球生命周期脉搏的原始驱动力,推动着地球从诞生始就不断地不断演化。”关于地球内部产热问题沿用前面的讨论。
对于地球系统的演化而言,由于地球系统属于内能外泄型的巨型宏观开放系统(以地球形成初期原有的热能、半衰期可达数十亿年的放射性衰变热、及分异热等,伴随有太阳能的输入和地球辐射热的输出),任何地质作用过程都是地球内能耗散的过程(熵增加)。根据热力学第二定律,自然界中的一切过程都是不可逆的。随着地球的内能不断耗散,地球逐渐变冷,它将从初始活力四射的星球逐渐演化成能量不断衰减的平静星球。然而,在地球诞生、成长和消亡的全生命周期中,地壳的形成、裂解、聚合曾多次封闭地球、企图阻止地球内部热量的迅速扩散。岩石圈封闭地球必然引起地球内部升温,产生高温、高压的积累。经过漫长地质年代的间歇期,热的积累逐渐造成岩石圈膨胀应力的增加,直至地壳破裂,造成地球内部的熔岩灾难性地爆发,并以猛烈的形式向太空释放热量,其中因降压熔融所造成的大量相变吸热过程,是造成地球灾难性变冷的重要原因。[7]
前面已讨论过地球早期生热问题,初期可能是一个“熔融液态星球”,以地球内部的热能为地球演化的主要原动力,以地球表面介质相变(包括固—液或液—固相互转换)为热周期诱发,以热结构运动且伴有
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热膨胀为地球活动的主要营力,根据已发现的温度周期中存在的均变和灾变两种热扩散方式,根据热力学第一定律,可以建立一个地球热运动演化方程。用该方程阐述周期性热平衡性态变化导致地球周期性变冷和变暖的地球演化基本规律,及对热结构的影响等。
以下的叙述主要来自唐春安教授的研究。他认为:地球是一个开放系统。地球系统的热量平衡涉及五种基本热量(图10-1),而热增量只涉及其中的四种:太阳辐射获得的入射热Ωi、地球对外太空辐射的热损失Ωo、地球内部的放射性衰变热Ωr、地球物质凝固或熔融过程中产生的相变热Ωp。根据前面对热的叙述,需要指出的是在下面Ωr不单指放射性衰变热,它还含有其它成分的热。
图10-1 地球作为一个热平衡系统示意图
根据热力学第一定律,可以建立如下地球演化过程中的热增量平衡方程:
…(10-1)
其中,ΔΩE是地球的总热能增量,它是地球系统内能变化和对外做功的总和;ΔΩr是地球内部的各种热的热增量,ΔΩp地球物质凝固和熔融过程中产生的相变热增量。ΔΩi是太阳对地球的辐射热增量,ΔΩo则是地球对外太空的辐射热损失。
上式中,ΔΩp=ΔΩp(σ,T)表明地球物质熔融或凝固的相变热与压力σ和温度T有关;ΔΩo=ΔΩo(h,l)表明地球释热与壳层厚度与壳层开裂总长度的关系[106、107]。凝固是一个放热过程,而熔融则是一个吸热过程。这种物质的凝固和熔融相变主要发生在软流圈与岩石圈之间的交界带。
将式(10-1)对时间求导,即:
…(10-2)
式(10-2)即为地球演化热平衡性态变化的速率表达式。根据其中与各个物理量相关的热变化规律,
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从该方程可以推演出地球演化过程中不同时间的演化特征。
需要特别指出的是,式(10-2)有一个重要的约束条件(地球外空间远场边界条件),即宇宙是个寒冷的空间,最低温度大约是-270℃。即当远离地球足够距离后,可看成宇宙空间的寒冷是永恒的-270℃。这个边界条件对研究地球演化的意义十分重要,它是影响地球演化并推动地球走向终极寒冷死球的直接原因。
地球演化热平衡方程(10-2)的意义在于,地球是宇宙空间中的一个发热物体,它的状态受宇宙空间的寒冷与地球的内热相互制约,其中最重要的控制因素就是地壳——这层为地球“保温”的壳。尽管在地壳形成的初期地表很冷,但由于“壳”的“保护”,有利于保持地球内部的热量不容易扩散到外空间,使得地球内部的温度可以缓慢增加。地球会从最初的寒冷走向适宜生物演化的温暖,再走向炎热,直至走向热周期的极端——地壳破裂、地震、火山喷发、熔岩溢流。极端热事件会在极短的时间内消耗掉地球在漫长的时间里积累起来的大量热量,使得地球可能进入一个新的寒冷期。地球的热周期演化再次旋回。
但是,根据热力学第二定律,地球总的失热过程是不可逆的,每一次周期性温度波动都将消耗地球自身固有的热能,地球演化温度周期(旋回)脉动的强度将随时间不断衰减,并一定的时期内,频度则会相应增加。根据熵增加原理,只要时间足够长,地球上的热将消失殆尽,终将趋于寒冷,成为一个没有活力的死球。
在方程(10-2)中,存在以下变量,热能的产生、压力、温度、绝热层厚度及对外释热长度。假如地球处于不对外释热或基本不释热,但从某一时刻起,在某一地方或多地同时热结构,因核幔边界热能的集聚使得热结构开始运动,并撕裂壳层即l逐渐增大,h逐渐变小,热量逐渐散失;被撕裂的地壳快速减压,转换引起相变吸热;地球内部产热保持恒定态增长;太阳辐射到地球的热量恒定不变,总的热增量将有开始地壳被撕开总热增量大于0,随撕裂的增大,相变转换范围增大,逐渐到等于零,再到小于0,即
<0…(10-3)
当壳层撕裂继续增大,地球内部增热与太阳辐射热几乎到忽略不计,即
,失热降温;
,吸热降温,此时:
…(10-4)
在这一向外太空释热过中,温度伴随下降,各种热结构也都达到最强,壳层达到最小,开裂达到最大,使得小密度物漂移-或散或聚;同时伴有膨胀和大气中布满悬浮灰尘,此时太阳能几乎完全被悬浮的灰尘
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反射,大气温度完全靠地球散热保持。降温意味着壳层再次增厚和被撕裂的地壳从薄弱处开始弥合。这种增厚与弥合,随时间的延长而增大,并伴有地球收缩,热结构也在减弱,热能辐射到大气中的热量逐渐减少。这种情况一直持续,直至撕裂的地壳甚至完全弥合,不在向大气中辐射热量,相转换散热,温度恒定,地球的极寒天气到来,地球内部因不再对外散热,大气逐渐晴明,热能开始蓄积。此时具有:
,蓄热;
,相变增热,所以在某个时刻具有如下的热平衡方程:
>0…(10-5)
当壳层稳定,相变不再,即:
,
,热平衡方程为:
,>0…(10-6)
此时的热能蓄积即将达到最大,地球将由封闭转向开裂,进行下一个旋回。热结构在地球核幔边界处,一点或多点形成,此时即存在点源热结构,又存在链源热结构及网源热结构。位于海洋下形成海洋扩张,位于大陆下形成点源热结构形成地洼,链源热结构形成地堑。因为地球存在自转,网源热结构受其作用使得大陆形成纬向、经向构造或波浪镶嵌构造,以及断块构造、径向上的膨胀等。当然这些热结构存在一定的继承性、小的差异性。
这种热旋回,因处于银河系周期性合引力强度作用之下,具有加剧地球的对外太空的释热,根据热结构合力强度方程式(9-4)、(9-5)、(9-12)、(9-13),以及表1-2、表1-3和图1-3穿越银道面等的证据也可以证明这一点。早期的地球因撞击和分异剧烈,加之放射性元素含量也多;因此地球的基础温度较高,早期的地球的这种旋回并不明显,当较高的基础热能释放到一定时期,这种旋回将变得的周期也将变短,如图1-1所示。
为进一步说明地球的演化,弥补前面的一些关于这方面的不足,下面主要引用唐春安教授研究以补之。
地球演化到今天,在地球的上部形成了一层上硬下软的岩石圈,包括地壳的全部和上地幔的上部,由花岗质岩、玄武质岩和超基性岩组成。在岩石圈的下部,就是部分熔融且厚度几百公里的软流圈。软流圈是指地球浅部岩石圈以下至660公里不连续面以上,刚性较弱且能够发生长期缓慢变形的地幔部分,是讨论壳—幔相互作用等一系列地质过程的重要参考体系。据推测,这里温度约1300℃左右,压力有3万个大
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气压,已接近岩石常温下的熔点,根据克拉柏隆方程,超铁镁物质的塑性体,以半粘性状态缓慢流动,故称软流圈。就是固—液或液—固转化的相变带。
但是,在地球演化的早期,即太古代的早期,地球处于液态演化阶段,是没有岩石圈的,即岩石圈的厚度为零。地球的表面,只有可以随意流淌的岩熔。这种情况下,依据球内性质6,有利于小密度物的分异形成(化学势)和热结构作用下的汇聚。
由于熔岩流动性大,易于上下对流,也易于水平流动,有利于地球与大气的热交换,辐射的热损失大。因此,在地球演化的初期,尽管地球内部物质中存在的放射性衰变和太阳辐射的各种热,可以对地球的失热进行补充,但相对液态地球表面的失热,各种热不足以补充地球的热量损失。此外,由于此时的岩熔温度很高,很难产生凝固相变过程。由此表明,在地球演化的初期,被熔岩海洋覆盖的地球总体处于失热过程。这是地壳得以形成的热力学基本条件。
然而,完整地壳的形成,绝不是单单靠地球表面冷却就能实现的。在地球表面不断冷却的过程中,如果地幔一直保持持续高温,地壳就不可能形成。所以,地球表面的冷却过程必将逐渐波及到地幔。事实上,地幔跟随地壳的持续冷却才是地表熔岩凝固并形成全球完整地壳的关键。在初始的完整地壳形成之前,由于地球内部的产热低于地表通过液态熔岩释放的热量,因此,宇宙寒冷(约-270摄氏度)的环境将促使地球由外及里逐渐冷却。由于地球表面的温度与地球内部的温度保持一定的梯度,地表持续降温必然带来从地壳到地幔按一定梯度的整体温度降低。
太古代晚期氧化镁的明显减少就反映了这个时期地幔温度的显著下降(Condie,2011)。此外,BIF中的Ni/Fe比例降低也证明了地幔源温度的降低。而在25亿年之后Nb/Yb的增加则可能是由地幔熔融物减少引起的,它意味着在太古代晚期地幔正经历冷却阶段。随着地球由外及里的不断降温,地球当初滚滚沸腾的岩熔海洋逐渐变成了呆滞黏稠的半流体,最后渐渐硬化,液态—固态转化的相变过程不断发展,地球由外及里的凝固过程逐渐形成了岩石圈。岩石圈下面,则是还未来得及凝固的软流圈。早期以缓慢凝固形式(而不是快速凝固形式)形成的小密度地壳块体比较稳固,应该是克拉通的主要来源,热结构的顶部是海洋的形成地。
在液态地球向固态地球转化过程的初始阶段,凝固过程并不是在整个地球表面同时发生的。地球的自转强度与地球引力强度使得地球为椭球体,它与纬度的关系为(3-26)式,对热结构中上升的物质而言,上升强度与自转强度同向叠加,减弱地球内部引力强度的作用,同样热量形成的热结构,由赤道向两极,活跃程度则逐渐减弱,因而地球表面的热也将减少,这是其一;其二,太阳辐射到地球的热量,根据图10-1,可以发现由赤道向两极,因与地球旋转轴近于垂直的关系,单位地球表面接受到的热量也是逐渐降低。其上两点叠加,最先凝固发生在两极的顶点,继而向赤道方向发展,因而地球表面的温度并不是均匀分布的,其对应的上部气层也同样,地球最初的第一场雨一定形成于两极的上空。处于凝固—熔融临界状态的小密度液态物质,在里热外冷的双重夹击下,可能在两种相态中徘徊、震荡。使得聚合小密度物固结,然后固
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结物断裂,岩浆上升,继而断裂物下沉,上升的岩浆冷却,焊接成为固体的小密度物,直至表层完全固结,并下延。而处于热结构顶端的物质也会出现类似的情况,但由于不断的更新,热结构的顶端形成完全固结迟于小密度物的表层完全固结。但回落到地表的挥发物--雨,加快了这一固结,同时因雨的汇聚,使得热结构与小密度物间的高差不断加大;海洋出现,岩石圈形成。根据地质事件,地球整体降温规律如图1-1所示。
在上面分析中,提及径向的收缩与膨胀,从图1-1地球温度的变化来看,地球整体处于降温中,即地球整体收缩。但根据前面的分析和图1-1,地球的径向上又存在脉动,看来膨胀收缩与脉动作为地球的一种动力也是客观存在的。膨胀学派的地球膨胀证据也是言之凿凿,最大半径增达超过400km,地球处于整体降温,粒子间距离平均变小;万有引力常数G,近年的研究表明:20亿年范围内基本不变[74]。因而看来单向的的膨胀和收缩均不足取,此处的脉动(基于唐春安)可能是学者们发现地球收缩、膨胀或脉动的根源。科学在辩论中,道理会越来越明。
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自海洋扩张被发现提出以来,质疑声不断,但不论怎样质疑,大西洋就在那里,容不得反对大陆出现相对背离。在解释这种背离时,出现最早的理论是离极力,而后出现海底扩张的解释。到底是海底扩张,还是其它动力形式的作用?下面根据已发现的地质事实进行说明。
图11-1
在所收集到资料中,迟顺浪老师最早发文质疑大洋下并不存地幔对流[34、108],理由有二:一、大陆根,二、金刚石年龄,金刚石年龄金刚石中硫化物包裹体的年龄具有大于2.0Ga模式年龄,而金伯利岩侵位时间90Ma。Meyerhoff连续发表的文章中:指出了120个同板块构造矛盾的地质事实。迟顺浪老师引用Meyerhoff的以下资料说明板块需要摈弃的理由[109]:1)寒武纪全球蒸发岩和泥盆纪全球蒸发岩位置没有改变(图11-1a)。2)在寒武纪时,印度、阿拉伯及西藏就是连在一起的,其证据图11-1b中“盐岭”地层剖面:晚前寒武纪的含盐岩石从喜马拉雅带和印度地盾向西南延伸到巴基斯坦、伊朗,并经波斯湾进入阿曼和南也门。这个地区恰好是板块说的澳洲-印度板块、欧亚板块、伊朗板块和阿拉伯板块的会合地带。中印度板块、欧亚板块、伊朗和阿拉伯板块连接处的寒武纪“盐岭”地层含盐岩石的分布,彻底打破了印度板块由南向北漂移冲撞亚洲大陆的说法。3)在大西洋中不断发现古老地层。大西洋中脊脊部附近的鲍尔德山,全部由16.9亿年~15.5亿年的花岗岩构成,被年龄为7.85亿年的镁铁质岩墙侵入,该山长13km、宽5km、高3km,不可能是‘冰川漂砾’。现在,在大西洋中脊已查明了数百个这类花岗岩产地。对此海底扩张说无法解释。4)海底地形图,图11-2为同一地点海底地形图,从图中可以看出两者间存在相当差别,左侧大西洋海底地形图上东西向相互平行的转换断层清晰可见,右侧海军海底地形图则不见转换断层的踪影。由此可见海底扩张遇到的问题挺多。
2015年,任纪舜院士等著文《寻找消失的大陆》质疑海地扩张,并列举全球大洋中23处大陆残块和陆壳残迹,他们的展布见图11-3。
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大洋中残留陆块依次是:1)扬马延海脊;2)罗考海台;3)里奥格兰德海台;4)福克兰海台;5)塞舌尔海台,图11-4;6)喀麦隆岛和戴维海脊;7)莫桑比克海岭和厄加勒斯海台;8)凯尔盖朗海台;9)布罗肯海脊;10)洛德豪海隆;11)坎贝尔海台和查塔姆海隆;12)翁通爪哇海台。
图11-2 北大西洋海底对比图
大洋深海平原中大陆地壳残迹依次是:13)伊比利亚深海平原中的大陆地壳残迹;14)摩洛哥西侧Seine深海平原中的大陆地壳岩石;15)澳大利亚大陆南缘大陆坡脚中的大陆地壳踪迹;16)东北印度洋深海盆地中的大陆地壳残迹(图11-3中16、17);17)东太平洋转换断层间的大陆地壳残迹(图11-3中18);18)西太平洋海沟中的大陆地壳残迹(图11-3中19-21);19)转换断层中的大陆地壳残迹(图11-3中22);20)赤道大西洋中脊中的大陆地壳残迹(图11-3中23)和图11-5。
梁光河博士从2013年先后发表多篇博文质疑海底扩张。其中一篇提出如下问题[110]:1)海底扩张没有得到地球物理证据认可,证据为从红海、印度洋磁条带,并不平行洋脊。2)地幔对流假说违背基本物理原理,证据为对流的根据不明,现代海洋科学考察已经证实,全球洋中脊上正在冒出热流体的地方十分稀少,热点几乎都不在洋脊。3)板块俯冲假说违背基本常识,证据为海底密度的升高,不足以产生俯冲,如果存在俯冲,未固结沉积物为何海沟没有大量刮蹭堆积存在等;印度洋南部根据测量不向两侧扩张;冰岛是飘浮在大西洋洋中脊上怎不裂解;太平洋洋中脊进入到北美陆体下,美国西海岸地区并没有被撕裂开;大西洋、印度洋如果扩张,为何极少见到俯冲带;印度板块漂移尾部为何存在尾迹和划痕[111、112]。在另一博文[113]中通过系统的对地震、地磁、测量等资料的梳理,质疑海底扩张。其它质疑海低扩张的博文[114、115]因与前述内容有重叠古不在叙述。2021年1月毛小平博士[116]:主要通过梳理海低年龄历次公布的成果逐渐变大的变化,发博文质疑海低扩长可能存在问题。
从上面大量叙述引用看现在给出的海低扩张的确存在问题,可根源在哪里呢?这也是必须面对的,只有回答了这些问题,才有利于地球演化问题的回答。
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图11-3
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图11-4
图11-5 赤道大西洋古老的岩石分布
图11-6是20世纪80年代末期出版的第三条海底磁条带图,全球三大洋均具有大致同时的六个增生阶段,各增生单元在各阶段内具有各自不同的扩张方向和速度[79]7。在图11-6中划有49个增生区,各增生过程的起始和结束有明显的同时性和交替性;期与期之间共有5个交替时段,连同增生初始的阶段,统称为洋底增生构造变动幕;初始时段为第Ⅰ幕,1、2期之间为第Ⅱ幕,余之类推,共6幕。从Ⅰ到Ⅵ,所对应的距今年代分别为:156.6Ma,137Ma,97Ma,58Ma,36Ma,10Ma;增生区存在四种类型:主干活动洋脊增生区、楔入活动洋脊增生区、古洋脊增生区和无洋脊增生区。[21]193-194从这一划分,结合它们在图中的位置不难得出这样的结论:在三大洋中,热结构运动在一定的区域内活动,活动的时间长短不一,前面提到的各种热结构在图上均可见到。
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图 11-6
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图11-7全球磁异常图(a),2007
图11-7全球磁异常等值图(b),2017
李三忠等和李园洁等二位博士的研究,对回答海底扩张质疑,应有作用。从他们取得的成果来看大洋中存在陆块、陆源物质是有根源的。下面引用它们的一些成果来说明海底扩张是正确的,并弥补前面热结构分析中的不足。
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在图11-7(a)中可以看到在北纬30°到南纬30°间,海底磁异常主要以纷乱规律不强为特征;南纬30°到南纬60°间,磁异常虽存在纷乱,但相互间以平行为主规律性强为特征,北纬30°以北也基本如此。在图11-7(a)中规律强的部位,而图11-7(b)中也是异常纷乱。图11-7(a)与海底增生图11-5对比看,在北纬30°到南纬30°间,除主洋脊外,还存在其它短的小的互不相连的洋脊链,有的洋脊链已不在活动,有的洋脊链已消失不见;这些情况在地方也存在,如冰岛的一左一右、南极洲的周边等。这些正好说明地球内部热热结构运动存在区域性,表现为链、网热结构特征,随时间的的增长弱链等死亡,强链更强,同时反映出地球自转给热结构带来的影响。这正符合前面关于热结构形成到消亡的分析。图11-7(a)的洋脊整体看是一张大的热结构网,但具体的各洋又存在小的热结构网。因而在网的网眼上存在陆地也就在所难免,如马达加斯加、塞舌尔海台。为进一步说明热结构下的海底扩张,下面通过具体的例子说明。
图11-8[116]
马达加斯加岛和塞舌尔海台:从图11-4和图11-8马达加斯加西岸和莫桑比克东岸的形态,结合谷歌地球看,马达加斯加岛应是从莫桑比克分离出来的。在莫桑比克海峡,磁异常(图11-7(a))规律不强,但再结合图11-8(b)和(c)中标注的M系列,(b)中M系列从下到上年龄逐渐增大,(c)中从中间
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向两侧M系列年龄逐渐增大,这一点也图11-6也有展示,结合图11-8(a)看,它们所处的位置,虽欠缺地层等资料的佐证,基本可以断定马达加斯加岛是从莫桑比克东岸分裂出来的。因此莫桑比克海峡下存在两个独立的热结构,是它们导致了马达加斯加岛的形成。
在马达加斯加岛和塞舌尔海台之间,从图11-7(a)上看磁异常规律性不强,图11-6增生规律不细,但从图11-4的左侧图中较为清晰的可以看到海底增生。虽塞舌尔海台海台以东,在图11-7(a)上看磁异常复杂多变,稍有规律,因此可依据图11-4和图11-6塞舌尔海台处于两热结构之间。至于如何演变到塞舌尔海台海台处于水下,先不去考虑,但从图6-24潘吉亚大陆复原图看,印度洋形成之初,在潘吉亚大陆相应部位存在各种热结构,它们可以是点状、线状、链状甚至是网状的;经过这些热结构的演化,从而导致目前的图11-4的马达加斯加岛和塞舌尔海台相对位置关系。Collier et al.(2008)利用详细的海底磁异常模型,发现塞舌尔岛近海岸裂谷同期的火山活动发生在63.4Ma,同期嘉士伯洋脊开始海底扩张,之后~62Ma塞舌尔通过洋脊向东南方向的拓展而分离[116]。板块边界区域性的变化发生在68Ma,早于大陆玄武岩火山活动的顶峰,表明外部板块边界作用导致塞舌尔从印度板块分离出来。塞舌尔海台在潘吉亚大陆时期,是陆地,但由于底部热结构的减薄作用,使其落于水下,虽无直接证据证明,但发展中的东非裂谷中部不断下沉,不失为这一推测的间接证据。李三忠老师的印度洋的板块演化重建研究对下部热结构的演化及上部的影响可以说是一个不错的例证,从图11-9的(a)到(d)主热结构构不断的主要向东发展,在这发展中无疑会对塞舌尔海台造成影响,其中可能就包括减薄作用。但塞舌尔海台在东西(图11-4)热结构挤压作用下,如果不间断,未来可能再次浮出水面。可惜的是目前未能收集到塞舌尔海台的高程变化数据,如果是不断增高,不但可以证明热结构的存在及相互挤压作用,还可以证明热结构的是不断演化的。
图11-9 印度洋从61Ma和56Ma到41Ma和33Ma的板块
通过上面的分析,马达加斯加岛和塞舌尔海台是扩张造成的,这种扩张与时下提的扩张并不矛盾,它们与大洋中脊的扩张一起形成了海底扩张,是海底扩张的一部分。通过这个例子的分析,还不难得出大西洋裂解存在一个复杂的过程,裂解之初底部热结构绝非单一,从这一局部可以看到底部多是网状形态,不然不可能造成大陆物质遗落到洋中,因而大洋中存在大陆物质并不意外。为说明这一复杂性继续举例说明。
马达加斯加岛和塞舌尔海台:从图11-4和图11-8马达加斯加西岸和莫桑比克东岸的形态,结合谷歌地球看,马达加斯加岛应是从莫桑比克分离出来的。在莫桑比克海峡,磁异常(图11-7(a))规律不强,但再结合图11-8(b)和(c)中标注的M系列,(b)中M系列从下到上年龄逐渐增大,(c)中从中间
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扬马延岛位于北冰洋,离格陵兰岛近,现代洋脊东侧。从图11-7(a)看北冰洋海底磁异常纷乱,杨马延岛的周边也不例外。高密度航海和航空磁测数据为重建详细的杨马延小陆块形成过程和机制提供了证据。Gaina et al.(2009)通过分析磁异常数据和板块运动参数,表明早在56Ma大陆裂解和海底扩张开始捕获部分杨马延岛小陆块,~48Ma前小陆块东南部分发生伸展[图11-10(b)]。40Ma挪威海盆的洋脊南部导致西南边缘的伸展,挪威海盆开始扇形扩张[图11-10(c)]。经过20Ma后,艾吉尔洋脊停止扩张,洋脊从东北大西洋南部开始扩展,直到20Ma与小陆块完全分离[图11-10(d)]。而Geinigon et al.(2012,2015)对杨马延小陆块附近挪威盆地航空磁测数据分析,认为从48Ma开始杨马延小陆块区域的南部扩展加快,艾吉尔洋脊系统扇形发展,这与杨马延小陆块和格陵兰岛东部边缘的裂谷作用开始加剧的时间一致,可能这个板块构造重组事件导致26Ma之后小陆块的形成。在图中还可以清楚的看到洋脊扩张到消亡又到新洋脊形成,这反映出演化的多变,扩张的多样。
图11-10 杨马延岛为陆块演化示意图[116]
根据这两事例,可以分析冰岛为何目前处于现在的地方。从图11-6可以发现,在冰岛位置洋脊是不连续的,在其东西两侧是纷乱的磁异常(图11-7),说明下部热结构是网状到的,但目前冰岛中部热结构
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最为强势,但强势的热结构又受到周边热结构影响,因此难以使冰岛分裂,但不排除未来分裂的可能,因周边热结构消亡这种可能还是有的。
另外再说一下其它海台和海底平原的情况,根据图11-3,除去图中的12翁通爪哇海台、18东太平洋转换断层间的大陆地壳残迹、22转换断层中的大陆地壳残迹、23赤道大西洋中脊中的大陆地壳残迹后,根据在图11-6、11-7中的相应位置,特别是图11-7的两张磁异常图,不难发现磁异常均紊乱规律性不强,如果它们有如图11-4精细的海底增生图,一定会发现也如塞舌尔海台一样,在塞舌尔海台周边存在图11-4的情况。因此认为目前的海低扩张过于夸大主洋脊的作用,没有考虑一些小的、死亡的洋脊的作用,以及洋脊的变迁。
先看图11-3中18,在其对应位置的图11-6中东部见死亡洋脊,西部是增生边界,是3-5期的增生,越过西部增边界,是1-2期增生,且给出的磁条带纷乱,连死亡洋脊也不见;在图11-7的两张磁异常图上,磁异常均是纷乱的,到底如何原因导致大陆岩石存在确实解释起来棘手。下面只能试着解释一下,根据图11-6死亡洋脊早期将北美大陆边缘撕裂、扩张,将北美大陆边缘陆物带入大洋,而后随着洋脊下热结构东迁,或热结构下热力不足,形成死亡洋脊,东部新洋脊的扩张更进一步使得大陆物质向远离海岸的方向运动。
图11-3中22,远离大陆,解释起来困难,留待今后有了更好的资料再做解释。
图11-3中23,图11-5是23的精细大陆物质的展布图。在图11-6相应位置标注的增生期是3-6,没有磁条带;在图11-7上磁异常,(a)中看似有规律的地方,但不知是那个洋脊扩张形成的,规律难寻,(b)中更是纷乱;图11-2是这区域,海底不同单位得到的地形图,从这一图中可以看到现代主洋脊的为相同,其它地方则差强人意。洋脊锆石年龄从3.2Ga到65Ma,跨度很大。根据这些,可以断定大西洋这一区域从潘吉亚大陆开始分裂以来,这一区域的网状热结构复杂多变,死生不断,使得剐蹭物、遗落物,一会到东,一会向西动荡不定,但此区域热结构整体推动上部陆体外移;所以发现大陆物质也在所难免,锆石年龄大跨度也在情理之中。洋脊锆石年龄的大跨度,根据南非金刚石年龄和成岩年龄差别看,可能也存在这一因素。
总之,大洋是各种热结构死生不断,从而形成扩张,因此还是比较认同海底存在扩张,但此处的扩张,与过往的扩张有着不同的含义,他是在各种热结构下的生死交替下的扩张。仍是这句话:这是否正确,因资料阅读的少,在此仅能是抛砖引玉。欢迎老师们批评指导!
本文通过球内合力强度方程的建立,以及物质的迁移和地球温度的升降,将地球五大地球动力系统,进行了有机整合,从这一整合中,可以看出五大动力系统都是地球演化的动力,可以说地球能有今天的模样,它们是缺一不可。但并不排除叙述过程中,存在这样与那样的错误,甚至是致命的错误,对此希望能
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得到老师们的批评性指导!这一研究也存在缺点,未能将热的来源与展布搞清,影响了热结构为什么这样展布,而不是那样展布,以及热源与各种周期的关系。对此希望能得到老师们的提点,以促进整个研究的完善,也欢迎老师们指导我合作进行完善;在此首先表示感谢!在文章的写作过程中得到许多老师的帮助,写作说明中已有提及,但在此在此表示感谢!
在文章的结尾,根据上面的研究,对杨学祥老师的:“板块分割是现象,内部动力是本质,外部因素定周期”,做一改动,改为“各种构造是现象,内部动力是本质,外部因素定周期”。
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[114]http://blog.sciencenet.cn/blog-1074480-848156.html 梁光河 南海和大西洋发现大量花岗岩说明海底扩张不存在
[115]http://blog.sciencenet.cn/blog-1074480-998859.html 梁光河 海底扩张的“三大支柱”能支得住吗?
[116]李园洁 李三忠等 海洋磁异常及其动力学 大地构造与成矿学 2019年4月 43(4) 678-699
[117]李三忠 索艳慧等 微板块构造理论:全球洋内与陆缘微地块研究的启示 地学前缘 2018年9月 25(5) 324-356
[118]李务伦 李相通 地球动力的合力强度方程建立 科技创新与生产力 202021年6月 6期
[119]吕古贤 胡宝群等 地壳深部“重力-构造力复合压力状态”研究和大别--苏鲁超高压变质岩形成深度的测算 地学前缘 2017年3月 24(2) 1-15
[120]李继磊 高俊 西南天山洋高压--超高压变质岩的俯冲隧道折返机制 中国科学:地球科学 2017年 47(1) 23-39
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全文传完,希望与老师们交流,请老师们不吝笔墨指导我完善这一探讨!希望得到老师们的指导!
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