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重新认识我们的地球（之五）地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（中）
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地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（中）
池顺良
四. 地质学家对地槽运动实体机制的探寻
（1）对地槽沉降机制的探索
地槽—地台说是以沉积建造和岩相分析为基础，根据陆壳的建造特征和构造特点经过分析比较建立起来的，它对于古地理的恢复，大地构造单元的划分以及阐明矿产的形成和分布规律等方面都有重要的作用。可说是一百多年来，大陆地质实践的经验总结。
但是，这个学说仍然是现象描述性的。为什么会发生地槽运动，运动的机制和动力是什么，都不清楚。仅为了解释地槽下沉的原因就提出了数十种机制，但都不令人满意，现列述若干运动机制假说。
由沉积负荷引起的沉降作用（图1a）。按照 Bott 和其他作者的观点，沉降量很难超过原始水深的 2-3倍。在原始水深不足 200米的地方，无法形成巨厚的地槽沉积。（Bott 被动大陆边缘沉降活动的机制－板块内部动力学，地震出版社,1990.）。
另一种解释认为岩石圈与地壳受到加热隆起，而地表剥蚀又使地壳变薄。后来的冷却作用又使变薄的地壳沉降。不过，隆起和地表剥蚀量不足以解释深沉积盆地(沉降超过 5km)的成因。（Bally ,盆地与沉降－板块内部动力学，地震出版社,1990,）
辉长岩--榴辉岩相变或其他变质作用引起的下部地壳或岩石圈密度增加也能引起沉降（图1e）。不过，要证明在事实上曾发生过这种大规模的过程是困难的。（Sleep 密执安盆地,－板块内部动力学, 地震出版社,1990.）
图 1c所描述的、产生了地槽下凹的壳下对流作用和深坳槽的形成是前数十年来最常被提到的作用，但是，这种机制却与实际的地壳剖面不符。
(图 1) 地槽沉降机制的各种假说示意图
关于地壳受拉伸或地幔上涌引起地壳减薄造成沉降活动是一种较普遍的看法 (图2)。但是，地槽活动中，沉降带和隆起带的平行交替分布格局，使得引入这种拉伸力的根据受到怀疑。而且，一些研究指出，拉伸机制最多只能解释观测到的地壳变薄量的 1／4。 至于“地幔上涌”的说法，又涉及动力来源以及上涌的平面形态如何与条带状沉降带符合等问题。
(图 2) 地壳拉伸或地幔上涌引起沉降
还提出了一些机制，大都利用了均衡、相变，拉张、岩石挠曲、热收缩等作用，但都不成功。关键问题在于，所提的这些机制如何能使沉降作用在适当的时候转变成回返隆起；以及这种作用应能提供一种在平面上呈现出条带状平行交替分布的沉降—隆起带格局。
(2) 地槽运动中的物质迁移
上一篇中引用李叔达《动力地质学原理》书中的“地槽旋回发展模式图”，此图只涉及地壳上部而无地壳的下界(莫霍面)，这样的地壳不是一个完整的系统，不便于追踪系统物质的运动。
如果我们依据地壳均衡原理，在模式图上画出当时莫霍面的位置，地壳就成为由上、下界面围限的相对独立的完整系统。上方是大气层，下方是与它具有不同成分与密度的，不相混熔的上地幔。此时，由地槽活动中地面高程的变化、依据地壳均衡原理就可知道它的下界面的深度。这时，根据几何关系和物质守衡，就会发现在地槽的全部演化过程中，发生在下地壳和上地幔附近的相向的物质迁移运动，是导致地槽活动的主导因素。
为了追踪地壳深部物质的运动，建立一个模式化的地槽运动剖面图。以地槽运动发生前大致平坦的地面为基线，对物质的运动进行追踪 (图3a)。
图 3 是地槽活动早期地壳剖面图，图上画出了两条沉降带和三条隆起带，沉降带中沉积了5000至10000米沉积物的剖面图。此图是极其模式化的，略去了断裂和岩浆活动等，却按均衡原理绘出地形、沉积物厚度及莫霍界面。
假定沉积环境是水深百米的浅海，沉降区的沉积物来自两侧的隆起区。地表物质在大气营力和地球重力的作用下，不断由隆起带向沉降带迁移，沉降带中地层不断堆积。由几何关系即可确定沉降带的地壳不断向下沉降；隆起带的地壳则不断地向上隆升、剥蚀并被运往沉降带沉积。在地壳中形成了物质循环 (图 b)。
图3. 地槽区物质迁移模式图：沉降带的沉降及相邻隆起带的隆起
a) 初始平坦的30km厚地壳；b) 沉降与隆起带的交替分布；
c) 沉降带沉降及隆起带隆升对应着地壳物质从A→B→C→D→A 的物质迁移。
目前，地壳物质的这个循环尚未闭合。这个循环的三条边：A→B反映隆起带整体的向上抬升；B→C是我们肉眼都能看到的隆起区物质在外动力作用下从隆起带向沉降带的搬运；C→D是沉降带整体的下沉运动。
在地壳底部，是否存在从沉降区较薄地壳底部向隆起区较厚地壳底部的物质迁移运动呢？也就是，是否存在地壳物质从D→A 的物质迁移运动呢？
沉降区的地壳不断地下沉，因水深大致不变按均衡原理下方的莫霍面并未下降。莫霍面是下地壳和上地幔之间的化学分界面，所以，按照物质守恒、运动的连续性和空间几何关系，必须要求下地壳中存在从 D→A 的运动，构成地壳物质的完整循环。只有这样，地槽沉降带持续、大幅度的沉降才可能发生。(图 15 c)
A→B→C→D→A 四个运动环节，前三个环节，地壳物质都是在重力势能的驱动下运动的。第四个环节，地壳物质是逆重力方向进行的，因此是主动的运动。就是说，只要在下地壳中存在 D→A 的物质迁移运动，就会引起整个地壳物质的循环运动，造成地槽带中沉降和隆起运动。
地壳物质从隆起带向沉降带的运动(B→C)，主要是沿着地表，搬运地壳物质；A→B、C→D这两个环节的运动，是以地壳均衡调整方式隆升或沉降，其运动可由重力均衡模型来描述；但是D→A的运动是怎样进行的呢？我们认为，下地壳物质从D→A 运动的一种可能的方式是顺着莫霍面以粘性流体薄层运动方式向两侧迁移。
对地槽活动现象的分析，发现了下地壳物质在某种力量的驱动下，从薄地壳底部向厚地壳底部的迁移。发生在地壳底部的这种地壳物质迁移具有自动扩大地壳厚薄差异的作用，是一种“自组织”的运动。可以预料，这种物质迁移运动在地槽运动中具有重要作用。
(2) 地质学家也意识到壳下物质侧向迁移的存在
近年来，由于深反射地震探测技术的应用，发现了反射性水平层纹状下地壳，而且下地壳呈塑性状态存在。这样的下地壳和上地幔均可发生流动，形成层滑状构造。从而为上文中推测的在下地壳中的物质迁移，从力学上提供了可能。
地质学家在探讨地槽活动的起因时，也曾设想过沉降带底部的地壳物质存在侧向迁移运动。
李四光在探讨地槽沉降运动的起因时指出：“我们不得不问，那个槽子底下的物质哪里去了？如果我们否定槽子底下的物质向侧面迁移，以致在它的侧面形成隆起地带，我们就无法答复上面提出的问题”。（李四光，地质力学概论，科学出版社，1973.）
克鲁泡特金也作过类似的设想。他在探讨岛弧和海沟区的重力异常时指出：“这种变动可能与壳下基底中物质水平方向上的流出与流入有关，或者较少可能与基底的致密情况有关。长期的垂直运动 (不少于 80％)是由于深部(可能在地壳下层中)物质的水平运动而产生。（.克鲁泡特金 ,大陆与大洋的重力异常及其对大地构造的意义,科学出版社, 1963.）.
梁元博在讨论岛弧和深海沟共轭体系的成因时，设想了一种可能的物质运动过程：“海沟区地壳下面有部分物质(玄武岩洋壳)被抽出，加添到岛弧区地壳下面。这种过程使得岛弧隆起和海沟相应下降；以后，岛弧剥蚀的产物又要把深海沟充填掉，使岛弧和海沟的高差减小。这样的过程，必然形成‘共轭’发育的岛弧和深海沟。过渡区的波动起伏也可得到解释。”（梁元博，海底构造,科学出版社,1983）
中国地质科学院的白文吉研究员在研究盆地和山脉的成因时，指出：“盆地区上地幔相对隆升、山脉区上地幔相对沉降，盆地区被抬升和加热的下地壳物质向山脉下地壳方面蠕动。从盆地下地壳抽出的物质填充到山根部位，迫使山脉隆升，而盆地沉降，二者同步进行，形成盆—山运动”。（白文吉，山系的形成与板块构造碰撞无关，地质评论,1993）
中国地质大学的李德威教授也提出了类似的看法。（李德威, 大陆构造样式及大陆动力学模式初探,地球科学进展,1993,）
可见，从事地质实际工作的地质学家们已意识到发生在下地壳中的这种物质侧向迁移运动存在的必要性。因为只有发生在地壳底部的物质侧向迁移可能解释地槽的沉降活动。
五. 潮汐作用引起莫霍面上内波生长
地球在引潮力作用下不断发生胀缩、剪切变形。由于各圈层物质力学常数的差别，各层介质之间通过界面（莫霍面、古登堡面）一直处于交变潮汐剪应力的圈层相互作用中。
根据径向对称地球模型计算，在莫霍面深度，潮汐应力幅度达104Pa量级，潮汐应变幅度达10-7。考虑横向不均匀因素，如海陆交界地带等因素潮汐应力还会集中和增强。
但是交变的潮汐力如何能驱动莫霍面两侧物质定向迁移？
笔者曾看到一种散粒物料的震动输送机而受到启发。这是一种内壁带有螺旋形坡道，装有散粒物料的圆筒，在电磁铁驱动下作肉眼难以分辨的圆周震动。只是向一个方向震动时筒体稍向上抬；向相反方向震动时筒体稍向下降。由于这一微小的运动不对称，筒内的物料就会在电磁铁震动时自行沿着螺旋形坡道快速上爬。可见，交变的作用也能引起物质定向宏观运动，关键在于交变运动中要有某种不对称性。
在交变潮汐应力策动下的壳－幔系统中存在两种相对于运动方向的不对称：一是界面起伏造成斜坡界面对正、反向剪切“迎风”与“背风”的不对称；二是地壳与地幔物质在加载和卸载时的应力－应变路径的不对称。
交变潮汐应力引起莫霍界面波动，属于粘性流体力学中的运动不稳定性问题。下面，我们将地壳和地幔，近似看作双层粘性流体系统，分析在交变潮汐应力作用下，莫霍面上内波的生长。
我们取出莫霍面附近一矩形平面小区域 ，在这个小区域的边界上作用有潮汐应力。由于区域取得足够小，域中各点的潮汐应力可认为都相同，并略去了作用在此区域中的引潮力。
潮汐力是否会引起莫霍面的波动，可由界面上若存在某个微小扰动时，在潮汐应力作用下，该扰动波形是否会发展来确定。
图4. 绘出矩形平面小区域 ，壳－幔交界面经受交变潮汐剪应力作用的情况。在三个位置上显示垂直莫霍面方向潮汐剪应力的变化。
图4. 扰动界面上产生平均值不为零的潮汐剪应力
a) 界面无起伏时剪应力均匀分布；b) 剪切运动反向时也均匀分布，方向相反。平均值为零，不能引起宏观运动。
c) 扰动界面上剪应力分布不再均匀；d) 剪切运动反向时的剪应力分布。
e) 扰动界面上剪应力的周期平均值不再为零，将引起宏观运动。
图4a、4b中，界面上没有扰动起伏时，正半周期和负半周期时三个典型剖面上剪应力沿垂直方向均匀分布，潮汐剪应力的周期平均值为零，交变潮汐作用不会引起壳、幔物质宏观迁移；图4c、4d中，界面上存在某个微小扰动，如有一微小的正弦形起伏时，界面附近的剪应力将发生畸变。
仿照 Jeffreys 处理风成波的方法，假设由于界面扰动而产生的附加潮汐剪应力的大小和扰动界面的斜率成比例，远离界面处附加应力渐渐消失。由于“迎风坡”应力增强、“背风坡”应力减弱，剪应力的周期平均值不再为零（图4e）。根据弹性力学，剪应力对y（垂直）方向的偏导数相当于x（水平）方向的体积力，因而在扰动界面两侧，交变潮汐作用将产生沿界面方向的体积力，驱动地壳底部物质向深处运动；驱动上地幔顶部物质向浅处运动（图5）。其结果是，初始的界面扰动将扩展成更大的界面波动（图6）。这是莫霍面两侧物质在上述体积力驱动下，发生了相反方向集体、长期、微观蠕动的综合结果。这正是李四光等地质学家们推测的地槽活动区底部存在的物质运动。引起莫霍面两侧物质定向迁移的这种等效体积力，我们称其为“潮波驱动力”。
图5. 壳－幔界面起伏处因交变潮汐作用派生的侧向体积力，驱动界面两侧物质相向运动，界面波动将进一步扩大。
图6. “潮波驱动力”驱动壳－幔物质相向迁移，使界面波动生长。
在地壳－地幔圈层间强大的潮汐剪切相互作用下，正是流体力学中 “剪切运动的不稳定性”将初始的界面起伏发展为地壳厚度的巨大差异。
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