地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（上）

                 

                池顺良

              前 言

地球上的造山带在空间上分布广泛；在时间上一个旋回接一个旋回。“全球构造运动潮汐动力说”若能对造山运动作出动力学成因机制解释，就有了进一步发展的空间。

建立一个物质系统运动的动力学理论，必须以对这个物质系统的运动学观测为基础。

第谷对行星运动的精密观测为哥白尼、开普勒、牛顿建立太阳系运动的动力学理论奠定了基础，并由此发现了万有引力定律。

天文学家对银河系中恒星运动的大量观测数据则为林家翘建立星系旋臂结构密度波理论提供了基础。

太阳系理论属于较为简单的质点系运动。对于构造运动这样无限维连续介质力学具有的无限多可能性，缺乏运动学观测数据，依靠猜测建立动力学理论的可能性几乎没有。

山脉成因及构造运动的理论探索，也必须建立在对造山运动（运动学、物性学等）观察事实的可靠基础上。对于非地质工作者来说，只有向地质书籍、地质学家们学习、请教来获得这方面的认识。

幸运的是，野外地质学家200年来的工作已经对造山带的演化总结出了建立在地层学、岩石学、古生物学等实证资料基础上的现象规律。这就是经典的“地槽”说。

经典地质学发现的最令人惊讶的事实是：所有构成大山脉的地层（如阿巴拉契亚山脉、高加索山脉等）原来都是在海底沉积形成的。海中沉积的地层厚度可达1.5～2万米！而且这些地层都是在浅海沉积的。就是说，不断接纳沉积物的海底本身也在逐渐下沉，在它的上面由于沉积物不断地堆积，所以海也一直保持很浅，直到堆积起万余米厚的沉积地层。然后，在某个时候，这些海底沉积的地层又会以比沉积速度快得多的速度回返隆起，上升为山脉。这种沉积地带的平面形状大都为长条形或长卵形。这就是经典地质学提供的地槽沉积、回返形成山脉的地槽演化理论。

这是个现象描述性理论，因为一直不清楚为什么会发生地槽运动，运动的实体机制是什么，动力机制又是什么都不清楚。仅为解释地槽下沉的原因就提出过数十种机制，但都不成功。

如果能够找到地槽活动与演化的实体机制，并用潮汐动力机制动力学地解释地槽活动与演化过程，全球构造运动潮汐动力机制就有了进一步发展的空间。

让我们先了解一下山脉成因的研究史。

一. 山脉成因研究史简介

（1）冷缩说

“冷缩说”是大地构造学建立的第一个全球构造动力学理论。

冷缩说是法国地质学家鲍蒙为解释地层褶皱与造山带提出的。按照这个假说，地球处于冷却和压缩状态。但褶皱和造山带只在地球上某些地区出现，冷缩说将地壳分成‘刚性地段’和‘柔性地段’。刚性地段起着虎钳的作用，它们在压缩过程中揉挤和压缩柔性地段，引起地层褶皱和造山。

当时的大地构造学还不能提供最初步的地层变动或地壳运动的实际资料。冷缩说只是作为康德－拉普拉斯太阳系起源学说的逻辑结果提出来的关于地壳运动的一种猜测。缺乏造山过程实证材料支撑的以想象为基础的冷缩说最后崩溃了。

 

（2） 地槽地台说

地槽地台说着重于对地质活动现象规律的描述和确证，并不过多地作运动机制的猜测，是一种唯象性理论。但却揭示出了造山带运动的现象规律，为造山过程动力学机制的探寻提供了运动学基础。

地槽说揭示的地槽造山带的活动规律是：

1. 地壳分为活动的地槽区和稳定的地台区。

2. 地槽分布在大陆边缘、大陆内部或大陆之间，常延伸为带状，长可达数百至数千公里，宽数十至数百公里。整个地区又分成此起彼伏的波状拗陷和隆起区，呈交替状。这些具有带状或长卵形的地带彼此平行地沿地槽走向延伸。

3. 地槽发育的第一阶段，拗陷带不断沉降，地幔物质以海底火山喷发形式侵入沉积岩中。两侧隆起带物质被带到沉降带沉积，以至拗陷沉降带中可堆积起厚达20公里的沉积岩层。

4. 沉降作用逐渐减慢，地槽进入“回返”前的平静期。之后，原先沉降并沉积了巨厚沉积物的地层以比沉降快得多的速度回返隆起，形成山脉。地层褶皱，断裂活动加剧，火山、岩浆活动活跃。中央山地出现宽数十公里，长数百公里深不见底的花岗岩岩基。

5. 回返过程的重要特征是隆起带和沉降带的交替再分布。地槽区在经过下降沉积到上升褶皱的变化发展过程后，如果还没有稳定下来，它将带有周期性地一度甚至多次地进行相似的过程，直到稳定。并遭受剥蚀夷平，转化为稳定而地形起伏不大的地台区。（图1、2）

 

图1.  欧洲大地构造简图，黑色条带为阿尔卑斯地槽带。

图2．地槽旋回发展模式图（李叔达，1987）

 

    如果将一次地槽活动看作一次构造活动旋回，地球历史上大概已发生过10～20次构造活动旋回。地质上能够探查清楚的也就是最后的几次活动，如古生代的加里东运动、中生代的海西运动和新生代的阿尔卑斯运动。可见，地槽活动是普遍的全球大地构造活动现象。

 

二. 地槽活动现象揭示了大地构造运动的波动性质

在沉积建造与岩相分析基础上建立起来的地槽地台说是一百多年来大陆地质实践的经验总结。这一现象描述性理论至今仍在地质填图、找矿等实践活动中应用。即使是板块说流行的现代，板块说也不能涵盖槽台学说的所有内容，尤其是大陆构造的研究，许多相关的概念至今仍具有强大的生命力。

观察地槽的活动，不难发现压缩、挤压及拉伸这类简单的力学机制是无法解释地槽运动的。简单的压缩、拉伸作用实在无法解释震荡运动的基本特点－上升和下降的交替以及这种运动的惊人的复杂性和精细性。地槽造山带中，褶皱带从轴部向边缘发展的现象也是无法用外来压缩解释的。

    地槽沉降带中从沉降到回返的运动，就象波动运动中的“驻波”。垂直于地槽走向的剖面上沉陷与隆起带的交替分布，表明地槽活动实际由具有波动特性的“波动力学”实体过程所控制。

大地构造学提出过各种动力假说。如：冷缩说、膨胀说、脉动说（膨胀收缩交替）、地球自转车阀说（李四光）、地幔对流说、地幔柱说。这些动力假说提供的只有推挤、拖拉一类简单的动力因素。提供不了“波动力学”过程，解释不了复杂而精细的地槽活动现象。

地槽活动表现出的“波动力学”特征，将全球构造运动潮汐动力说的目光引导到寻找具有“波动力学”特性的物质过程上。

――原来地槽活动就是地槽区底部的壳－幔界面（莫霍面）两侧物质在潮汐剪切力驱动下发生相对剪切，因剪切运动的不稳定性而发生交界面“内波”生长过程的结果。

莫霍面上内波的生长和演化，可以解释地槽沉降及回返的全过程。

 

三. 分层介质中的内波

（1）可流动分层介质中的内波

两种不同介质分界面上发生的波动称为内波。无论是气态与液态介质之间，不同的液态介质之间，还是气态与流态砂介质之间或是液态与流态砂介质之间的交界处，界面的变形和波浪起伏现象在自然界中都极为常见。

密度正常分层的系统，重力上是稳定的。界面上出现的任何波动起伏最终都会在重力作用下逐渐消失。但是，当存在外界策动力，介质间发生相对运动或应力传递的相互作用时，若扰动运动的速率超过扰动波本身的传播速率，外界策动的能量就会被体系吸收而发生界面波的自激增长。自然界存在各种扰动作用，分层介质系统也特别容易吸收外界扰动能量，因而各种分层体系的界面极易处于波动运动中，很少处于平静如镜的状态。

在大河入海口或浮冰区，上层淡水和下层盐水由于密度不同形成分层流体系统。船行驶到这种水域，船的速度就不能高过淡水－盐水界面上内波的传播速度。因为任何的动力都被消耗于产生相当大振幅的内波上，船被上层流动的压力场紧紧地拘留在波峰上就像被钉在海面上一样。这时，和缓的海面下却隐藏着船舶动力激起的上层淡水和下层盐水交界面上汹涌的巨波。船舶在遇到这种场合时，受到极大的阻力。在航海术语中称为遇到了“死水”。

开阔的沙漠地区很少是平坦的，地面总是出现许多大小不同的丘阜和隆起，起伏迤逦，好像大海中的波浪。这些隆起的沙丘大多形成平行排列的或弧形的山脊。其中有些可以发展到极大的规模。它们连续的脊峰可长达100km，高达100m。这些平行的沙丘，峰与峰之间的距离一般等于高度的5～6倍，它们排列成行，连绵几百公里而不中断。它们在风力作用下缓慢地移动；当风从两侧反复吹来时，沙丘则在原地增长。沙漠中的观察者没有不因为看到的事物形态的简单、重演的精确性和和几何形状的规则性而感到大为诧异的。

泥砂质的河床床面也会形成起伏波状的“砂波”。长江上的砂波长达数百米，波高可达4～5米。

对于河底的砂波，沙漠地带的风成沙丘这一类内波现象，至今未能给出严密的数学描述，就是熟知的水面风成波现象，对于风浪的形成和生长过程的数学、力学描述也不十分满意。然而，这些不同类型内波的形成和发展都是起因于介质间相对运动或应力传递的相互作用则是肯定的。

界面上形成波峰与波谷，微观上是界面两侧物质向一定方向定向迁移的结果。在沙丘的形成中，砂粒沿砂层表面向上移动最终形成高大的沙丘。在海洋内波形成中，海水质点按一定轨迹流线运动而形成波峰波谷。各种内波的形成，界面两侧物质的定向迁移是内波生成与运动的本质的过程。正因如此，这些看上去不相同的波动现象的波峰、波谷平面分布图像惊人地类似。从平面上看，波峰与波谷带大致互相平行，并与两种介质相对运动或相互作用的方向垂直或略显斜交。当相对运动具有优势方向时，整个波形图案将沿此方向漂移。当两个方向的作用对称时，波动图形在原地生长或因介质等条件的不对称而作少量的左右摆动。

 

（2）地球分层介面上的内波

地球具有同心圈层分层结构。地壳、地幔、液核、固核四层主要的圈层，形成了壳－幔、核－幔及液核－固核间三个清晰的全球性地震波速及物性间断界面。

随着地震探测技术的发展，三个界面上都发现了界面起伏波动现象。核－幔界面上波动起伏幅度可达12km，液核－固核界面起伏达25km，壳－幔界面（莫霍面）的波动起伏早在70年前就被观测到了，这个界面上的波动起伏幅度达到65km之巨。

在分层介质体系中，存在内波是普遍现象，具有圈层结构的地球内部也不例外。但是，长期以来，这些界面波动起伏的原因一直被看作与地球物质热对流驱动有关。但是内波的发生也可起因于界面两侧物质相对的机械运动。只要相对运动速率大于该界面上重力内波的传播速率，内波就会在界面上生长、发展。固体潮汐引起整个地球内各层物质间不停地相对运动，相对运动的速率远大于这些界面上内波的自由传播速率（各层物质的粘滞系数都很大），因此，一定会驱动这些界面上，如莫霍面上内波生长。

一旦莫霍面上生成内波，受地壳均衡原理控制，波峰区地壳减薄地面就要下沉，形成洼地或海盆；波谷区地壳加厚地面就会隆升，形成高地或山脉。

这样，内波作用即莫霍面的起伏本身就成为大地构造运动的主动而非被动因素。

 

（3）地球分层介面内波中蕴藏的能量

地球分层介面内波中蕴藏着巨大的能量。池顺良、周玖计算过在莫霍面起伏的壳幔内波系统中蕴藏的重力势能。周玖用下式计算青藏高原地壳内贮存的重力势能U

         U＝gζSρ_cρ_m∕2（ρ_m－ρ_c）

 

式中，g 为重力加速度；ζ为地形高程；S为高原面积；ρ_c为地壳密度；ρ_m为地幔密度。

周玖算得青藏高原地壳内贮存的重力势能为10²⁵J，与全球地震活动100万年释放的能量值相当。全球莫霍面起伏中贮存的重力势能达到8.5×10²⁵J。如此巨大的势能，使地壳系统本身就具有充分的活动能力，而无须依赖某种假想的水平推力，就能发生地层的褶皱、断裂、滑覆、伸展、推覆等构造运动。

目前，地球科学流行依靠某种假想的水平推力导演一幕幕地壳运动活剧。所谓“拉张成盆，挤压成山”的说法在地质界通行无阻。但，是谁来拉，又是谁来推始终说不清。

依靠外力推挤、碰撞造成地壳运动，必须通过地壳因挤压作用引起弹性应变能的积累、传递与转换。地壳中能贮存的弹性应变能的数量大小成为判断这一中间环节真实性的重要判据。计算发现，全部地壳能承受的弹性应变能最多不超过10²⁴J，只有壳－幔系统中贮存的重力势能的百分之一。

对于自身具有如此巨大重力势能贮存的壳－幔系统，实在不必求助于外来假想的推动力。唯一的问题在于，在46亿年的漫长时间中，壳－幔系统的厚度差异是如何在强大的外动力剥蚀作用下，未被削平而动态地保存至今的。

 

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