重新认识我们的地球（之十二）

地壳运动的物质基础――地壳物质的由来

                        池顺良

 

能量、物质是组成无生命世界的两大要素。认识我们的地球，也要从能源（也就是力源）、物源两方面着手。

前面的博文介绍了“全球地壳构造运动潮汐动力说”的力源；下面介绍这个假说依据的物源。

 

（1）原始地壳物质的由来－玄武岩浆从地幔中分异

根据太阳系起源学说，太阳系起源于46亿年前银河系旋臂上星际尘埃云瓦解出的一团相当1.2倍太阳质量的小星际云。其主要成分是气体氢和氦，尘埃约占1.5%，最大尘粒约毫米大小。星云盘内的固态颗粒先沉降到中面形成“尘层”，再形成星子，星子聚集而形成行星及卫星等天体。原太阳形成后，星云盘的温度分布主要由原太阳的辐射、盘物质的消失及热辐射决定。地球形成于接近太阳的类地行星区，用陨石及地球物质分析得出此区的温度To≈544 K。在此温度及压力条件下，成岩物质（硅、镁及其氧化物和铁、镍及溶解在其中的氢）凝聚为固态的行星地球。

行星地球一旦形成，分异作用随即开始。地球排气作用很快就将放射性元素迁移到地表，同时开始了缓慢的玄武岩质地壳的分异过程。

Anderson指出[1]：“球粒陨石和太阳物质中的Al₂O₃、CaO和Na₂O含量适于形成厚200 km的地壳，但现在地壳平均厚度不到20km。月球直径不到地球三分之一，月壳厚度（60km）却是地壳厚度的3倍。

地球没有那样巨厚的地壳，表明地球内部温度偏低，地幔中轻物质成分（玄武岩浆）难以分异出来。地壳物质的来源不足，地壳厚度就薄，尤其是洋壳，只有不到10km厚。

地球上这层薄薄的地壳又是怎样形成的呢？或者说，原始的玄武岩浆是如何从上地幔中分异出来的呢？

对玄武岩浆成因的研究建立了以下看法：玄武岩成分来自上地幔石榴石橄榄岩的部分熔融，熔融组分分离后上升到地面形成玄武岩。但是，对玄武岩浆液是如何熔融的，又如何从地幔岩中释出，其聚集上升的机制等仍不清楚。[2]

近年来，对直接来自上地幔的地幔岩捕虏体中浆胞的研究，从微观上揭示了玄武岩岩浆发生、发育的过程。研究指出，地幔中的挥发性成分和超临界流体在玄武岩浆形成中起着重要的作用。[3，4]

浆胞是在地幔岩捕虏体中孤立的由斜方辉石(opx)原地不一致熔融产生的熔体+子晶系统。浆胞的形态、大小和分布均取决于原斜方辉石晶体的形态、大小和分布。浆胞的大小一般是1～5 mm。浆胞多为孤立体，四周全被未熔化的矿物晶体（主要是橄榄石、尖晶石）所包围(见图1，图2)。既无岩浆网络和外界连通，也不见破碎构造裂隙彼此相连，完好地保存了玄武岩浆最初始的发育状态细节。为揭示原状地幔生浆作用提供了理想的缩影。

浆胞的发育遍及全球各个地区，有许多研究者进行过研究。浆胞中的熔体突出的特征是碱金属(Na，K)的富集。统计表明，地幔岩浆胞中熔体玻璃的碱含量大大高出全岩碱含量十几到几十倍。换言之，地幔岩的Na、K主要分布在浆胞的熔体玻璃中。浆胞是由斜方辉石(opx)熔融而成。而opx是不含碱的矿物，然而此矿物熔融后却在熔体玻璃中出现很多的碱金属（另外还有5%～15%的挥发分）。大量观察还发现，在同一个岩石切片中同为opx，有的颗粒并未遭到熔融，有的则熔融殆尽。熔融程度在一个薄片里变动范围相差甚大，表明不是单纯由热流加热导致熔融。在同一个热场中，各opx应当一起发生熔融，实际上没有观察到这种情况，说明opx的熔融除热的作用外还有别的重要因素。

 

 图1二辉橄榄岩中的浆胞（山东栖霞大方山）

G．熔体玻璃，占据浆胞中心，约为浆胞面积的l／2，浆胞内腔壁上排列圆状者为新晶出之橄榄石，自形短柱者为新晶出之铬透辉石；Sp．原岩尖晶石，

    呈港湾包围浆胞；Ol．原岩之橄榄石；单偏光，框宽2 mm

 

杜乐天对浆胞熔融以上观察事实提出了如下的解释：地幔中存在具有化学活动性而富含氢、卤素、热(H)；碱金属钠(Na)，钾(K)(A)；碳(C)；氧(O)；氮(N)；硫(S)的地幔超临界流体（HACONS地幔流体）。正是HACONS地幔流体渗入地幔岩中造成了opx的不均一熔融。大量薄片镜下详细观察发现，浆胞没有可见裂隙或岩浆脉网与外界连通，证明富碱、挥发分及不相容元素的地幔流体并非呈岩浆，也非水溶液形式，而是呈超临界态（气态）沿肉眼难见的微细矿物颗粒间隙、晶体位错、缺陷，不均匀强行渗入造成的。在大量地幔岩捕虏体中从来没有发现孤立的浆胞有同期的外界岩浆贯人引发熔融，只见有浆胞内部的熔体通过膨胀裂隙向外挤出了部分熔体（图2）。

上述观察结果表明浆胞虽然只有数平方毫米小，但却可视为整个地幔岩浆作用开始阶段的缩影，能够揭示和阐明困惑我们近一个世纪有关岩浆成因（而不是岩石成因）的基本机制。现在有充分的根据认为：没有HACONS地幔流体特别是Na、K的参与，壳幔岩浆作用实在无从谈起。在对浆胞微观研究的基础上，杜乐天又提出了“排浆时差”、“地幔溃变”等概念，结合具体的岩石学现象，解释玄武岩质地壳的生成。杜乐天还估计了排到地表的玄武岩浆的体积同孕育这些岩浆的“溃变地幔岩”体积的比例，大致为1:40～1:100。

形成地壳的玄物岩物质来自其下方的上地幔岩。分异出轻物质后，地幔岩的密度增高，在地震层析图上表现为大陆下方高波速的“大陆根”；在全球重力异常图上，表现为与高地震波速“大陆根”同样形态的“大陆高密度根”(参见“摒弃‘板块说’的理由（一）（二）”)。

 图2  二辉橄榄岩中的浆胞（浙江西垄）

Ol. 原岩橄榄石；Ol’．浆胞中晶出子晶橄榄石；Cpx’．浆胞中晶出之子

晶铬透辉石；Gs. 浆胞中熔体玻璃。注意：浆裂膨胀现象，有两条Gs呈

    脉向外伸出（图中有①、②标注），单偏光，框宽2 mm

 

地幔岩包裹体浆胞的研究揭示了地球中的超临界态流体在玄武岩质地壳形成中的重要作用。杜乐天称其为地球的排气作用，或“幔汁辐射”[3]。

以上对地幔岩捕虏体中浆胞的研究从另一方面说明，对于地幔岩中玄武岩浆分异作用的充分进行，地球实在是个温度偏低的行星，必须依靠钠、钾等离子的渗入，降低了地幔岩中斜方辉石熔点才能完成部分分异作用。这就是地壳为何比月壳还薄的原因。

分异出来的玄武岩浆上升到地表，形成玄武岩地壳。玄武岩地壳与下伏的地幔岩的化学成分不同，两者之间的界面（莫霍面）是个物性分界面。

地球形成了外层主要的圈层结构－地壳与上地幔。两者间的物性界面－莫霍面，成为传递这两个圈层间相互作用的接触面。在日月引潮力作用下，壳、幔圈层间传递潮汐剪应力的相互作用在莫霍面上激发出界面内波生长（粘滞流体力学中剪切运动的不稳定性）。强大的均衡力则让地形发生对称于莫霍面波动的起伏。又在剥蚀搬运外动力地质作用下，引发构造运动。构造运动又让霍面下方的地幔物质蠕动、甚至产生裂隙（“重新认识我们的地球(7）”)，加快了玄武岩浆从地幔中分异。这些分异出来的玄武岩浆填托到陆壳底部，加厚了陆壳。加厚、上升的陆壳增加了重力势能。分异成为提供地壳运动能源的另一渠道。

 

（2）地幔分异与地幔对流

海底扩张和板块运动都需要设想中的“地幔对流”提供动力。

但盖保民在《地球演化》一书中指出：“关于地幔对流的具体机制，目前仍处于众说纷纭的状态。至于地幔对流是否能够驱动板块有规律运动，并合理解释全球构造现象，’也是一个存有重大争论而未确定的问题。甚至说，大规模地幔对流究竟能否发生，也尚属疑问。”“随着观测资料的日益精确，在地球内部的圈层愈分愈细，从而每一个圈层愈来愈薄的情况下，在垂直方向上统一的对流形式系统就不可能存在。”“如果说地球内圈物质的各种形式的对流机制有一定根据的话，则地球内物质圈层分化机制的根据就要更加充分得多。”[5]

板块构造假说对地幔对流（及热地幔柱）等热动力机制寄予了过大的期望，却忽视了地球演化与地壳形成中极其重要而又确凿存在的地球物质的重力分异及圈层分化机制。尽管我们对地球物质重力分异的认识十分粗浅。关于玄武岩浆在地幔上升的通道、上升速率等几乎一无所知；对分异过程的理论分析及实验研究都很困难。我们却完全能肯定地壳与地幔的形成是地球物质重力分异的结果。

由于对流与分异是两种对立并难以相容的过程，过分重视对流过程的结果，使得板块理论难以对重力分异过程在地壳形成与演化中的重要作用进行有效的探索。

Dietz在1961年提出海底扩张假说时，为了使海洋板块能够消减，作了莫霍面是洋壳与地幔间的相变界面而不是化学界面的假定。这一假定虽然使海洋板块能够向地幔中消减，但与玄武岩质洋壳是从上地幔石榴石橄榄岩中分异出来的认识不符。

地壳是地球物质不断分异的产物。循着这一思路追索，寻找地壳形成与演化的过程，显然与搞清地壳运动的起因关系极大。但这一观点却不能为板块说接纳。因为承认洋壳莫霍面是化学界面，海洋板块的消减就会遇到困难。海底扩张不能实现，板块构造整个理论就会崩溃。

对地幔岩包裹体中浆胞的研究，揭示了原始玄武岩、碱性岩岩浆的生成过程。地壳是由地幔物质分异形成的，分异过程的速率、方式对大地构造运动的重要性是不言而喻的。但是，我们对玄武岩浆在地幔中是如何分异集中到地表的仍然知道得很少。加强对地幔分异的研究，将是地球科学未来发展的重要方向。

 

 

参考文献：

[1] Anderson，D．L．，关华平等译，地球的理论，北京：地震出版社．11页，1993。

[2] Yoder，H．S．，翟淳、马绍周译，玄武岩浆成因，北京：地质出版社，1982。

[3] 杜乐天，地幔流体与玄武岩及碱性岩浆成因，地学前缘，v01.5，No．3，1998。

[4] 杜乐天，地球排气作用——建立整体地球科学的一条统纲，地学前缘．vol．7，No.2，2000。

[5] 盖保民，地球演化（第一卷）北京：中国科学技术出版社，218～231页，1991。

 

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