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三叠纪以来全球板块运动概述（十六）

2018/10/05   维加斯新闻报
刘文旺

    七、原始大陆与海洋的形成：
    分异作用：是指原来均一成分分离为不同组分的全过程。主要分为岩浆分异作用和沉积分异作用。
    大陆作为地球固体外壳的最重要组成单元，与人类关系最为密切，长期以来受到了地球科学界的广泛关注。
20世纪60年代，随着板块构造理论的建立，地球科学发生了前所未有的革命性变革与发展，运用板块构造观研究大陆，极大地丰富和促进了大陆构造的研究；但是，20世纪80年代以来，随着研究的深化，地球科学家们逐步认识到大陆不同于大洋板块，是具有复杂物质组成、结构构造，并经历了长期演化与改造的“拼盘”。迄今，难以用经典的板块构造理论全面认识和解释大陆的形成、演化及其动力学的所有问题，因此大陆问题迫切需要发展甚至超越板块构造理论并亟待建立以大陆的研究为切入点，能够合理概括大陆形成、演化及其动力学的新理论。大陆的产生与运动的理论也不能完全用现有的地幔对流说来加以解释。
    到了20世纪90年代，世界各国纷纷提出了各自独立的“大陆动力学”研究的国家计画，以加强大陆形成、演化及其动力学的研究。经过了近20年的努力，尽管在大陆的物质组成、结构构造、形成演化等方面的研究积累了大量的新资料、取得了重要的新进展，但是，直到今天这一科学问题的解答依然任重而道远，大陆动力学仍然是21世纪地球科学界最主要的科学难题之一。
    在上边，我们提出了新的板块的产生与运动的理论：由于大陆板块不同于大洋板块，大洋板块是地幔物质在海水冷却下形成的。因此，大洋板块自身含有的核裂变物质经裂变反应产生的热能在与海水的冷却过程达到了热平衡之后不会再增加其厚度，因此，大洋板块不会自己产生膨胀、隆起以至于发生张烈产生新的独立版块；大陆板块则不同，由于大陆具有较大的厚度，因此，这就限制了其不可能拥有无限大的面积。当其拥有的面积达到一定大小后，就会在自身核裂变物质产生的热能的作用下发生热膨胀现象，从而产生隆起、断裂为不同的独立版块。当扩张的条件成熟后——如旧大板快板块开始强烈的俯冲消失运动时，就会迅速分裂成若干独立的板块，并在自身重力作用下发生重力下滑运动，从而产生我们发现的板块的运动现象。从我们的理论出发就会发现，板块的产生与运动是板块自身产生热膨胀的必然。不是为什么大陆板块要产生独立的版块而运动，而是由于散热的需要其必须要产生这样的分分合合的南来北往的过程。
    也就是说，我们观察发现的版块的版块的产生与运动的过程，是板块自身释放自己核裂变物质产生的热能的过程。
    这也是为什么新的版块新的大洋板块总是在大陆板块中产生的原因。
    那么最初的大陆板块是怎样产生的呢？
    由现有的理论可知地球内部圈层的划分如下：
    （一）地壳 地壳厚度各处不一，大陆地壳平均厚度约35公里，高大山系地区的地壳较厚，欧洲阿尔卑斯山的地壳厚达65公里，亚洲青藏高原某些地方超过70公里，而北京地壳厚度与大陆地壳平均厚度相当，约36公里。大洋地壳很薄，例如大西洋南部地壳厚度为12公里，北冰洋为10公里，有些地方的大洋地壳的厚度只有5公里左右。整个地壳平均厚度约17公里。一般认为，地壳上层由较轻的矽铝物质组成，叫矽铝层。大洋底部一般缺少矽铝层；下层由较重的矽镁物质组成，称为矽镁层。大洋地壳主要由矽镁层组成。
    （二）地幔 介于地壳与地核之间，又称中间层。自地壳以下至2900公里深处。地幔一般分上下两层：从地壳最下层到1000—1200公里深处，除矽铝物质外，铁镁成分增加，类似橄榄岩，称为上地幔，又称橄榄岩带；下层为柔性物质，呈非晶质状态，大约是铬的氧化物和铁镍的硫化物，称为下地幔。地震资料说明，大致在70—150公里深处，震波传播速度减弱，形成低速带，自此向下直到1500公里深处的地幔物质呈塑性，可以产生对流，称为软流圈。这样，地幔又可分为上地幔、转变带和下地幔三层。了解地幔结构与物质状态，有助于解释岩浆活动的能量和物质来源，及地壳变动的内动力。
    （三）地核 地幔以下大约5100公里处地震横波不能通过称为外核，推测外核物质是“液态”，但地核不仅温度很高，而且压力很大，因此这种液态应当是高温高压下的特殊物质状态；5100—6371公里是内核，在这里纵波可以转换为横波，物质状态具有刚性，为固态。整个地核以铁镍物质为主。
    我们知道，宇宙中的任何一个天体的温度都会在漫长的演化过程中，由于不断向太空中辐射能量而逐渐降低其自身的温度。现在的地球存在接近液态的上地幔及液态外核。其内部拥有接近太阳的表面的温度——5000摄氏度左右，因此，可以推知在地球产生之初。无论是地下核裂变物质（那是地球拥有大量的段半衰期的核裂变元素，后来逐渐消耗尽了，现在只留下了长半衰期的铀等裂变材料了）经裂变反应过程产生能量，还是，自身重物质下沉过程产生的能量，应该拥有较高的温度。这样，地球的化学物质就会发生各种可能的移动。在这一过程中，密度小的物质会上升，密度大的会下降从而使不同的矿物质发生分异现象。这样，原是大陆板块的组成成分就逐渐从液态的岩浆中分化出来。此时这些物质可能以液态的形式漂浮在地球表面。
    伴随地球的降温，地球上的水汽逐渐转化为水，覆蓋在地球表面。这是原始的大陆板块物质在新产生的水的冷却下可能均匀覆蓋在地球的表面，形成薄薄的一层。但是，在日月等天体的潮汐力作用下，这样的小地壳不会稳定存在，会在用涌动的岩浆的作用下被破坏，重新进入到地幔冰熔化在其中；或在水的作用下发生近似的过程，从而使其不均匀分布在地球的表面，一部分相对较集中的地区，可能聚集大量的大陆物质。这时的地球表面不再是平滑的，一个个小的大陆板块凸起在原始的大海之中。
    由于突起的部分用有较大的转动惯量，因此，伴随地球的自转速度较小。而且大陆物质越多的地区，转动惯量越小，自转速度越慢。这样一些小的大陆物质会从自转方向的后面撞上前面拥有较大品质的大陆碎块。这样，经过漫长的地质年代——几亿年，这些小的大陆碎块就逐渐汇集成较大的大陆板块，
    同样是由于地球自转的存在，因此，在自转离心力的作用下这些原始大陆碎块还有一个向赤道方向聚集的趋势。这样最后最初的和随后不断分异出来的大陆碎块会逐渐在赤道地区聚集。这也促进了大陆板块的汇聚过程——最初的大陆板块应该是在赤道地区产生的。
    由前面的分析可知，大陆面积不能超过一个最大面积之值，超过这一数值大陆就会在自身产生的热能的作用下发生隆起断裂而分开。而且这个最大面积值还随时间的演化而逐渐变大。这是因为，其中的核裂变物质在随时间而减小。产热能力在逐渐减小。这样地球上就逐渐产生了大陆、大洋板块的产生与运动的过程。十分有趣的是，这是由于地球自转速度很快，因此离心力很大，加上这时的大陆板块很小，因此，相应的大陆板块的纷纷合合只是在赤道两侧来回震荡。但是随着大陆面积的不断增加，这种运动规模越来越大。逐渐形成了我们现在见到的在地球两极之间的南来北往运动。

       
 
    此外，我们还要从动态的角度加以分析。
    大陆是地球形成以来在46亿年的长期复杂地质作用过程中，由各种不同块体与组分，历经多次改造而成的复杂拼合体。现有的研究认为，大陆在地球形成早期由地幔分异而派生，是由于高密度地幔物质部分熔融出低密度物质，并分异、向上运移，添加于地壳浅表部。这种地幔物质分异、运移、侵位过程造成大陆不同的深度层次具有不同的组成和分层结构。

   
 
    现有的岩石学研究成果已证实，地幔派生岩石主要是玄武质的，这明显与现有地壳偏中性的平均成分相矛盾。因此，大陆动力学要面对的基本问题仍然是：大陆是如何形成的？其基本成分是什么？大陆之下的岩石圈地幔的化学特征如何？陆下地幔是析出地壳物质后的残留体吗？大陆地幔物质与大洋地幔物质是否存在本质的差别？
    其实，这不是问题，现阶段地幔中派生出的岩石主要是玄武石，但是在地球的早期的分以过程中产生的肯定不是简单的玄武岩。这是因为，现在玄武岩是经过漫长的分异后，再现阶段能分异出的物质。这一点就如同从石油中通过蒸馏作用在不同的温度下可以产生不同的物质一样。也就是说，在不同的历史时期地幔物质分异出的物质是不同的。可以推测，再过数十亿年，如果地幔还存在的话分溢出的物质可能就不再是玄武岩或主要物质不是玄武岩成分了。
还有，大陆下的地幔物质与大洋板快下的岩浆物质肯定是不同的。不管怎样分异，物质之间一定有扩散现象存在。这会导致大陆物质成分与岩浆中的成分存在混合的现象。这一点，可以在我们前面的分析过的环绕亚洲大陆东侧的新的大洋板块的成分与东侧的太平洋板块的组成成分存在明显的不同上。当时，这一事例被用来说明太平洋板块相对与亚洲大陆向东迁移的佐证了。
    同时，由于大陆“拼盘”是由不同的块体拼合组成，并由于部分熔融和侵位元的横向的差异性，使得大陆在纵向和横向上表现出明显的物质成分和结构构造的各向异性，加之不同历史时期所形成大陆的差异性，使得不同地区、不同时间的大陆可能具有成因和特征上的差异性。因此，在全球三维尺度上，研究大陆成因及其基本特征和对比不同地质历史时期大陆的成因及其特征，仍然是富有挑战性的科学命题。
    另外，大陆生长包括垂向生长和侧向生长，地壳的形成是通过地球深部物质向地表的迁移实现的，并最终趋于在大陆地壳中达到物质的相对均衡稳定。岩浆的形成、运移和侵位是大陆垂向生长的基本过程，大陆的侧向增生也是大陆生长的重要方式之一。侧向增生是通过洋-陆、弧-陆俯冲、陆-陆碰撞作用，把不同陆块、消减杂岩、俯冲岩浆作用的产物焊接、增生于大陆边缘。
    大陆能够长期保存的原因历来是地学界长期探索的重要科学问题。迄今多数研究认为，80%左右的现今大陆在中、新太古代已形成，而且以奥长花岗岩、云英闪长岩、花岗闪长岩为重要组成特征。然而问题的关键是，这些岩石何以被长期保存？目前的研究多数将其归因于大陆低密度，难以返回地幔。但是，越来越多的研究结果表明，低密度的大陆仍然是可以发生深俯冲的。因此，低密度是否是大陆得以保存的原因？对于这一问题，我们可能想多了，其实根本就不存在大陆的保存问题，也不可能完全保存下来，实际的过程是，这是一个动态的过程，时刻处于产生于熔化消失的过程之中、时刻处于熔化与再分异的动态过程中。就像大洋板块存在产生与消融一样，只是大陆板块的变化只存在与地慢物质相邻的区域。
    这体现在如下的事例中。
    近年来关于岩石圈拆沉作用的研究表明，大陆造山带在后造山期往往会发生地幔拆沉，使得岩石圈减薄。我国华北克拉通的研究初步表明，它曾经历燕山期大规模的减薄破坏。但是，地球物理学研究却显示在北美大陆之下存在一个很深的大陆根，插入大陆之下的地幔中。这些古老的大陆根如何形成，就是在不断的分异中产生的。当然这里存在一个动态的过程，大陆跟的组成学成分不断与地幔岩浆中的物质是有交换的，大陆跟的产生与保持存在的存在本身就是一个不断交换物质的动态过程，不存在洁身自爱的修女般的保持过程。
    已有的研究表明，大陆岩石圈属性与结构不是板块构造认为的“刚性”块体，而是以富含矽铝质、各向异性、非均一的、具多层分块结构的半黏性弹塑性体，具有流变学特征。这是显然的，大陆的演化过程中，存在不知多少次的分分合合的过程，这时会叠加来自不同大陆板块和大洋板块的、火山中的物质成分。这一点可以明显地从全球地壳实际存有不同地质时期的碎块叠加产生的事实中看出。
    一句话，成分是一个动态的变化过程。是一个与地幔中的岩浆不断交换物质、在板块的演化过程中不断更新其组成物质的动态过程。其组成具有历史意义，不同的时间节点拥有不完全一样的组成。不存在你绝对的大陆板块与绝对的大洋板块。
    当然，尽管有太古宙蛇绿岩的报导，但是，关于板块构造究竟能够上溯到什么地质历史时期？太古宙有无板块构造？这仍需要不断地积累没有争议的观测事实。
    八、海水的演化
    地球表面的水主要是由大气中的水蒸气经液化产生的，还有一些来自于坠落地球上的彗星带来的。它含有的盐都是很小的。其主要溶解物就是地球产生时的一些易于溶于水中的化合物。像氨气、二氧化碳及一些简单的矿物质，还有一些在岩浆分异出大陆板块的过程中，从最初的岩浆中溢出的可溶物质。这些物质能溶解在水中的主要就是钠盐、镁盐等。
    后来，由于板块运动在大洋板块不断产生与演化的过程中，海水在冷却岩浆产生大洋板块的过程中，不断从岩浆中溶解出可溶的化合物，从而使海水的盐度逐渐增加。
    另外，从海洋中蒸发出来的雨水降落在大陆上，也会把存在于大陆上的各种可溶的化合物带到了海里。从而是海水的盐度随地球板块的演化而逐年增加。
    现在的理论一般认为，海水中的盐分是由陆地上的河流带到海洋中形成的。这是不科学的。因为，就连大陆板块本身也是从岩浆中分异产生的。大陆上的物质也是来源于岩浆。因此，这些物质会首先溶解在海水中。
    参考资料：李喜先、董光璧、郭爱克、胡作玄、刘次全；《21世纪100个科学难题》
        叶叔华《运动的地球》湖南科学技术出版社1997年6月第一版；
    边兆祥、金以钟《板块构造评论》
    张莹莹《气象学与气候学》 北京师范大学出版社1991年4月第一版
    胡绍祥 《普通地质学》2014年8月第一版。