地槽（造山带）活动及其旋回性的潮汐动力机制（下）

                        池顺良

 

五. 地槽沉降的有限元数值模拟

我们用发生在壳－幔交界面上内波的自激生长来解释地槽运动。这种内波生长过程可以当作双层粘性流体的运动稳定性问题来分析。(钱 宁讨论了双层粘性流体交界面的稳定问题和更为复杂的多层流体模式）。

这里，我们通过一个二维的壳－幔有限元模型数值实验，研究在只有重力和 “潮波驱动力”（在上文分析中引入的）作用下的壳－幔系统中发生的运动。

对于地质时间尺度的运动，我们将壳、幔物质看作不可压缩的牛顿粘滞流体。图1a.是计算的起始模型。上层是密度 2.7，粘滞系数10²⁰ Pa·s 的地壳，下层为密度 3.3，粘滞系数10²¹ Pa·s 的上地幔。重力作用在整个体系上而潮波驱动力只作用在莫霍面两侧的薄层中，大小与莫霍面的斜率成比例。（图1）

在这个模型中，莫霍面两侧物质的粘滞系数超过10²⁰Pa·s ，微弱的潮波驱动力不能引起明显变形而产生地壳运动（需要几百亿年时间才有变化）。但当莫霍面附近物质的粘滞系数降低到10^15-16Pa·s 时，莫霍面就开始变形，厚薄大致均匀的地壳会渐渐变得厚薄不均。一些地方的地壳逐渐变薄，其两侧则形成地壳加厚的地区。由于均衡原理，地壳减薄处地面下沉；地壳加厚处则地面隆起。地壳系统就在重力和潮波驱动力这两种力的支配下逐步演变，形成莫霍面的波浪起伏及与之成镜象对称的地面起伏。

 

图1. 重力、“潮波驱动力”和剥蚀搬运作用联合作用下的地壳演变

a)平坦的初始地面和莫霍面；b)60万年时的地壳结构；c)120万年时的地壳结构

 

（1）有剥蚀作用时的有限元模拟结果

（图1）.演示了一个简化的二维壳－幔模型的演变过程。计算考虑了地表物质剥蚀搬运引起的负荷重分布。

计算由大致厚薄均匀的地壳系统开始，时间步长为 0.6万年。图中给出了开始时刻和60万年、120万年时的地壳结构。图中显示了两条沉降带和三条隆起带，形成的地面高差可达 2000米。

这一壳－幔系统的演变，完全是在重力、“潮波驱动力”和剥蚀搬运作用三种已知的动力因素下进行的。

由上述数值试验结果得知，微弱的潮波驱动力驱动莫霍面两侧薄层物质的相向迁移能够在地质尺度时间中改变地壳厚度而引起地壳运动。产生这种运动需要的条件是，壳--幔交界地区，物质的粘滞系数需要降低到某个值以下，地壳底部物质迁移的速率才能超过地表物质的剥蚀搬运强度而引起地壳运动。

引起该处物质粘滞系数降低的原因看来是放射性热的长期积累。地壳底部热能的积聚成为地槽活动发生地点与时间的控制因素。（应是地槽活动旋回性的原因。）

在我们的简单模型中，没有考虑冷地面沉降引起莫霍面处地壳物质温度的降低，因而沉降作用不能停止。实际情况应是当地槽沉降带中沉积了一、两万米的沉积地层后，由于冷地面下沉，地壳底部的粘滞系数增大，物质迁移速率缓慢，沉降作用自行停止。

 

（2）无剥蚀作用时的有限元模拟结果

对于一个没有剥蚀搬运作用的模型，演化过程进行到莫霍面和地面形成镜象对称的起伏波动后，潮波驱动力与重力回复力达成某种均衡，物质迁移停顿，地形特征能得到长期保持。

这种情形发生在大洋底部发生的内波形成过程中。洋底形成的内波，由于缺乏剥蚀搬运的外动力地质作用，原始的内波地形可以相对稳定地长期保持。

由于潮汐作用的全球性，莫霍面的内波活动不仅在区域性的地槽活动中发挥作用，也会在全球性地壳运动现象，如海陆分化、全球大洋中脊体系的形成中发挥作用。

 

六. 用莫霍面上内波生长解释地槽演化过程

地槽沉积、回返，山脉的构造这些地质活动图象无疑是二百多年来地质学累积的最重要的财富。提出一个新的地壳运动力源机制的假说，能否与这些图象吻合，就成为核查这些假说生命力的重要依据。

这里，我们把地槽的活动看作发生在大陆内部或海陆边缘的莫霍面自激波动运动的结果 。

我们设想某一地槽带开始发育前，已被剥蚀成准平原。地壳主要由某地质时代的结晶基底组成。莫霍界面也与地形相仿，基本是个平面。数亿年放射性热的积累，该处地壳底部物质重新开始塑化。在‘潮波驱动力’驱动下，莫霍界面开始波动变形。形成一连串平行的条带状波动起伏。莫霍界面的变形及地壳底部物质的运移改变了地壳的厚度，破坏了地壳均衡。地壳加厚处，地面受到浮力要上升；地壳减薄处地面相反要拗陷沉降。于是地壳中便产生了重力均衡控制下的构造应力。在地幔隆起的边缘，构造应力可达到岩石的破裂强度。当界面变形发展到一定程度时，隆起和沉降带毗连的地方，地壳会被剪断，形成深达莫霍面的高角度正断层，发生强烈地震。注意到向斜底部的塑性物质主要是莫霍面下从两侧运移来的地幔物质，因此，沿着断层裂隙侵入和喷溢的大都是基性及超基性岩浆。

随着界面变形的继续，差异升降运动不断发展。隆起处物质被剥蚀搬运到拗陷处沉积，这又使差异升降过程能够不断地进行。向斜不断地拗陷，堆积了越来越厚的沉积物，沉积物的厚度甚至可达到一、二万米。原来的低温地面陷入地壳深部，使莫霍界面处的地壳物质的温度越来越低，塑性也越来越差，于是物质运移及界面变形的速度渐渐减慢。但是地表的剥蚀搬运却没有减弱，于是向斜底部堆积的巨厚的沉积物便将此处地壳渐渐向下“压平”；背斜处由于被剥蚀“减荷”仍然不断上升。终于，地壳底部的波动起伏逐渐趋于平坦。地槽处于回返前的暂时平静时期。地槽回返即将开始。（图2）

图2. 地槽回返示意图

a)地槽回返前的平静期。注意，A、B处积储了大量流动性好的地壳物质；

b) A、B处的地壳物质快速向C处集聚，地槽沉降区快速隆起回返；

c) 沉降区快速隆起，上覆地层被大量剥蚀，底部地层压力降低，D处地层物质发生等温减压就地熔融，形成巨大的花岗岩岩基。伴随地壳隆起，上部地层开裂，发生岩浆侵入、火山喷发等地质活动。

 

     原来的向斜（沉降带）地壳底部由于温度低、塑性差，已经没有地壳物质可移出供加厚背斜（隆起带）地壳——就是说，此处只能接受地壳物质而无运出地壳物质的可能，但原来的背斜底部却积储了大量塑性很好的地壳物质。在已经趋于平坦的地壳底部，莫霍面会出现一些新的扰动起伏。终于，这些物质向原来的向斜底部集中。这种集中的趋势一旦形成便以越来越快的速度发展，向斜开始快速隆起。

    由于原来的向斜长期沉降，且沉降幅度各处不同，所以向斜底部的沉积岩层一般呈垂弧形。当回返开始，向斜底部受到运移来的地壳物质的上浮力而产生中央隆起时，垂弧形的沉积岩层被强制上抬，在中央隆起处岩层发生反向弯曲，岩层发生褶皱。随着中央隆起的快速隆升及隆起范围的扩大，褶皱向两侧推移。如果地槽原先的沉降作用强烈，回返隆起速度又快，中央隆起两侧的岩层的褶皱就可能十分强烈，以至发生逆掩、超复等现象。

    隆起继续进行，已被揉皱的岩层又被拉长，于是发生地壳的广泛开裂，形成众多的断裂。

    那些原先处于向斜深处高温高压环境，但尚未达到熔融状态的岩层，由于快速大幅度隆起，上复地层遭受强烈的剥蚀，环境压力大大减小，便发生范围广大的等温减压熔融现象。由于隆起的速度和幅度在中央隆起处最大，因而该处巨厚的沉积岩层发生重熔，形成中央隆起轴部大范围的花岗岩岩基。如安第斯山脉和科迪勒拉山脉轴部绵延万里的花岗岩岩基，尉为壮观（陈国能，“花岗岩原地重熔说”）。伴随着褶皱隆起、地层广泛开裂地槽区发生回返后期的酸性岩浆侵入和火山喷发活动。

    地槽活动初期，沉降带中发生的基性岩浆活动大都表现为基性岩浆的侵入和较平静的海底岩浆喷溢。地槽回返后期，中央隆起轴部发生的火山喷发活动，由于喷发的岩浆物质来自原先的地槽沉积物，富含水分和挥发性成分，粘滞性又大。因此，都是爆发性的喷发活动。

    随着喷发活动的进行，地壳热量大量散失，地槽渐趋稳定，成为不甚活动的“地台”区。同时重新积蓄热能，为下一旋回的活动准备条件。根据岩层中的放射性强度，可以估算出这种热量的积累过程约需数千万至数亿年。这就是构造旋回既有周期性，又非全球范围严格同期的原因。

地槽发育中，沉降、隆起的多次反复及波浪式推进的回返过程都表示地槽运动的实体机制是某种自组织的波动过程。壳--幔界面的内波就具有这种特性。

作者当初只做了地槽发育初期仅考虑变形的有限元数值模拟（之后一直忙于钻孔应变仪研制，无瑕它顾）。如果考虑冷地面下沉带来的温度、粘滞系数变化，以及传热过程、相变等因素，应该可以模拟出地槽演化的全过程。

 

七. 潮汐作用策动下的莫霍面内波说，打开了认识地球的新窗口

“潮汐动力－莫霍面内波生长”机制，提供了一种灵活而多样的构造运动动力机制。

黄汲清根据中国大陆地槽活动特点提出多旋回构造运动观点：在每一次构造旋回开始，出现深断裂、蛇绿岩或超基性岩建造，继之是复理石大量沉积，地槽沉积带一部分褶皱成山，生成磨拉石建造，伴随着同期或后期的中酸性岩浆活动。每个旋回的情况，不尽相同，但地层褶皱是不可缺少的内容。在第一旋回中，当褶皱山系形成之后，地槽沉积带即迁移到第一褶皱带之旁，形成第二沉积带，当后者又褶皱成山，山前又形成第三沉积带，依次类推。

地槽造山带极有规律的，类似有生命物体自组织的活动特征，需要一种灵活而多样的动力机制，才能给以恰当的解释。波动机制就具有这样的灵活和多样性。

月球和太阳对地球的引潮力极其微弱，只有地表重力的10^-7。潮汐动力机制如何能推动构造运动，将数十公里厚的岩层剪断、抬起山脉，形成巨大的推覆构造！

一系列放大机制起了重要作用：作用在整个地球上的引潮力被集中于壳－幔界面，实现了第一步放大；作用在莫霍斜坡面上的“潮波驱动力”只有重力的10^-3，但在双层介质中移动物质只要克服壳、幔物质的密度差，再利用斜面效应，象蚂蚁那样搬山不止，改变了地壳的厚度。像曹冲称象，再利用巨大的均衡力（浮力）再次实现放大。于是，数十公里厚的地层被强制剪断；靠抬升起来的地层向下的重力滑动形成巨大的推覆构造。一系列令人印象深刻的大地构造运动的活剧就这样被一幕幕展开。

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