重力是推动地壳运动的杠杆

                        池顺良

 

（1）重力是推动地壳运动的杠杆

 

与板块说不同，内波说中地壳运动的“第一推动力”是潮波驱动力，作用在莫霍面邻近有限区域中的等效力强度只有重力的数千分之一。因此，必须有适当的放大机制，微弱的潮波驱动力才能成为推动地壳运动的主导力源。

潮波驱动力推动壳、幔物质运移，首先利用了斜面放大作用。莫霍面斜坡的斜率一般为千分之几，最大约百分之一；其次，潮波驱动力推动壳幔物质运动只须克服壳、幔物质间的重力密度差而非重力密度本身，这又提供了约10倍的放大倍数。在适当的温度条件下，微弱的潮波驱动力经过数千万到上亿年日积月累的定向物质搬运终于造成了地壳厚度的差异，在地壳中储存起巨大的重力位能。因地壳厚度差异产生的均衡力（自重与浮力）极其强大，任何一种材料的强度力都不能与之抗衡。因之，在所有大山脉隆起与沉降交界带都发育有平行大山走向的深断裂带：巨厚的地层在这里被一侧向下的自重力与另一侧向上的浮力强制剪断。

重力是宏观世界中最重要、最现实的力。重力既是垂直力，能够也必然要转化成强大的水平力（重力位能的梯度）。但是，对重力，人们是如此地习以为常，重力的作用却常常被忽略，为了解释构造运动又人为地引入外来的水平力。作者以为，在我们这颗自转速度非常均匀的行星上，找不到可用于推动地壳构造运动的非重力派生的水平力。但目前流行的观点却正是依靠各种不明来历的外来水平挤压力，这就使大地构造学陷入困境。

地球是个巨宏观物体，在这个尺度上，重力始终是居支配地位的力量，这可从地球总体上的球形与大地构造形成的山体只是地球表皮上微小起伏（只有地球尺度的千分之一！）的事实中明了。因此，构造运动的发生必须仰赖于地球上的重力作用也就不难理解了。

 

（2）重力引起断层、褶皱、推覆构造与地震的实例

 

  大地构造学始终摆脱不了对外来水平推力的依赖。如“挤压成山、拉张成盆”的说法在构造地质界一直通行无阻，真要问这种水平推力或拉力来自何方，又说不清。

其实根本无须引入外来的水平推力或拉力，只要壳幔体系在潮波驱动力作用下形成了地壳厚度的波动起伏，所有的构造运动方式都能在地球重力场的作用下发生，而且比用引入外来推力可以解释得更好。

逆冲推覆构造是地壳中广泛发育的重要构造。对逆冲推覆构造的形成，最早的观点认为，侧向挤压是主要的驱动力。但很快发现，用水平推挤作为逆冲推覆构造成因机制存在问题。一是某些逆冲构造带的变形并没有强烈褶皱伴生；二是挤压作用力与推覆体所能承受的应力的矛盾。对于在地质时间尺度中发生的变形过程，地层的塑性是必须考虑的。考虑材料的塑性，在接触处的推力再强大，也是无法传递到远处的。这样，认为作为体积力的重力是引起逆冲推覆构造基本驱动力的“重力说”应运而生（朱志澄，《逆冲推覆构造》，1991）。

重力滑动构造是最常见，又最易被人们理解的重力构造类型。（图1）是台湾构造综合剖面图，台湾东、西两面的山体发育了巨大的滑动构造。如台湾纵谷之东海岸山的滑动可分两期，先是利吉组的混乱滑塌，后是晚第三纪地层的固流滑褶，形成一系列向东倾斜的轴面、向西倒转的褶皱，以及向西逆冲的低角度断层。纵谷以西，滑动系统主要由新第三系岩层组成，变形以不对称褶皱、叠褶和褶片铲形断层为特征，岩石一般未发生变质作用，下伏的古新世及时代更老的变质杂岩并不卷入变形。明显是上覆岩层因重力下滑形成的重力滑动构造（马杏垣，《重力作用与构造运动》，1989）。

1999年在台湾南投发生的强烈地震，位于纵谷以西，震源深度很浅。野外调查显示这次地震是由于车笼埔断层活动破裂的结果。

对地震记录的分析发现，地震的震源机制为一近南北走向的、低倾角、向西逆冲的破裂。断层上盘（车笼埔断层东面）的地震台记录的峰值加速度、速度和永久位移比断层下盘（车笼埔断层西面）地震台记录要大一个数量级。这意味着这次地震主要是由于上盘由东向西向下滑动，遇到阻挡向上逆冲，滑动受阻发生的构造地震。

从地质上看这次地震明显是滑动构造成因，但地震学家仍将其归因于“板块俯冲”。 “板块俯冲”如何解释仅7公里的震源深度？

 

           图1.   台湾构造综合剖面图（据马杏垣）

1．晚更新世地层；2．上新世、更新世地层；3．晚第三纪地层；    4．变质早第三系；5．前第三纪基底；6．利吉组    (I)内壳构造；(Ⅱ)过渡带；(Ⅲ)表壳构造

 青藏高原地形高差更加巨大，储存了更大数量的重力位能，因此，构造活动强烈。周玖、黄修武、池顺良曾经探讨过青藏高原的重力位能转化为构造运动和地震活动能的方式。我们将在探讨中国大陆地震成因机制中介绍他们的工作和观点。

 

（3）断裂使自重压力消失、引发激烈岩浆活动及金刚石喷出地表

 

固态岩石熔融转变为液态导致岩浆活动，形成岩浆岩体。岩浆岩体的形态分两大类，即岩浆喷出后冷凝形成的喷出岩体和在地下深处固结的侵入岩体。岩浆源的深度有的较浅，有的很深。如含橄榄岩包裹体的碱性玄武岩的源区深度可达到40—100 km。岩体中有时带有直径3m的包裹体，这只有当岩浆以极快的速度从上地幔上升才能将巨大的橄榄岩包裹体带上来。怎样的物理、化学和力学机制能引起如此剧烈的岩浆活动呢？

通常以为岩浆活动主要与地壳、地幔深部热的积聚有关。其实，上覆岩体的自重压力在岩浆活动中与热具有同样重要的作用。

由描述岩石固、液相转化的P-t图（图2）上可见，压力降低和温度升高一样会使岩石从固相转变成液相。

 

                               P∕10⁸Pa

图2.  含水钠长石的固一液态相图

    温度、压力变化都可引起岩石熔化

 

地槽沉降时，沉降一隆升的差异升降运动使沉降与隆起毗连的地方，地壳被强制剪断，形成正断层。此时的差异升降是由莫霍面处物质迁移引起的，所以断裂可直通上地幔。断裂带下方原先处于上覆地层巨大自重压力下的上地幔岩，压力突然消失，相点位置从固相跳跃进入液相，溶解的气体大量溢出，巨大的差异压力将上地幔岩块剥离；混入大量气泡的玄武岩浆的等效密度降低，巨大的橄榄岩包裹体被迅速上升的气体一岩浆流体系裹挟上冲到地表或浅部地层。

我们能够在地表找到大颗粒金刚石靠的就是这种“断裂－突然降压－熔融－释气－喷发”机制。只有这种机制能够让生长在150-250公里深处的金刚石快速带到地表的低温、低压环境，将金刚石的晶格冻结起来今日的我们才能拥有这美丽的天然晶体。实际上，在非洲的一些金刚石矿中，就发现大部分钻石转变成了石墨，也许是这里的融浆上升速率不够快的原因。

地层隆升遭受剥蚀时，上覆岩层压力逐渐减少，会使温度已接近熔点的下部地层发生等温减压熔融。地槽回返后期，原先被埋在地槽深处的沉积地层，经长期热积累，但还未达到熔融温度，由于回返上升会发生就地重熔形成花岗岩。此时，在中、上部地壳中的构造活动形成断裂，就会引发酸性岩浆的喷发或侵入活动。

认为岩浆活动仅仅是由热本身的积聚、导入的概念是不全面的。热点说就认为不同类型的岩浆活动都起因于地幔深部热幔柱的上升，并提出了柱头、柱尾的模型，看似有理其实并不符合实际。岩浆活动是统一的地壳构造运动的有机组成部分，不同构造运动阶段，由于构造运动处于沉降沉积或隆升剥蚀等不同构造环境而有不同的特点。如地槽沉降期沉降带中普遍发生以基性岩浆喷溢为特征的海底火山与岩浆侵入活动；回返后期在地槽隆起带中发生以酸性岩浆喷发为特征的陆上火山活动并形成大范围花岗岩基、岩墙。

不同阶段岩浆活动，不仅表现形式不同，而且喷发或侵入的岩浆成分也完全不同。用单一的热点模式是不能充分解释的。

重力是深部地层压力的主要来源，维持了物态的平衡。但当剧烈的构造运动导致地层大量被剥蚀，尤其当地层在构造运动中发生破裂时，局部地带深部地层的重力压力突然消失，就会激发强烈的岩浆活动。

 

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