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地質板塊動力學(中)

2018年07月31日   維加斯新聞報
劉文旺

    二、板塊理論的困惑(二)
    1、粘滯係數超過1023-1025泊的不能產生對流。但是傑佛裡期測量出的上地幔粘滯係數為1026-1027泊,因此根本就不會發生地幔對流。
    2.板塊說不能說明海陸的起源:
    “大陸漂移學說之父”魏格納以“海陸的起源”一書發表他的大陸漂移說,闡明了海陸的起源。
在他的書中,海洋和陸地這些實體一開始就已存在,書中只是描述了陸塊的分裂及海、陸位置的變遷,沒有給出動力學機制。
    3.大陸根的發現宣告大陸漂移與板塊運動觀點的破滅:
    三維地震層析發現大陸具有400-500公里很深大陸根。這一現象無論是北美大陸還是歐亞大陸,所有古陸核的中心底部都有很深的地幔根。 無論是“大陸漂移”還是“板塊運動”都無法說明具有很深的大陸根的大陸能夠怎樣漂移,大陸漂移了,陸根還能保存下來?!深深紮在地幔中的大陸根能漂移嗎?
    4.無視地球自轉在地殼運動中的重要作用:
    自轉是地球的重要特性,從“大陸漂移學說之父”魏格納開始,一些地球科學家根據眾多事實認識到地球自轉在地殼運動中必定有重要作用。地震學的一個重要事實是:緯度高於73度的兩極地區沒有7級以上地震活動,這揭示了地球自轉在地殼運動中的重要作用。然而,地球自轉的作用在板塊說中並沒有得到反映,因此,兩極地區為何缺少地震也一直令板塊說感到困惑。
    但是缺少對地球自轉導致的離心力的忽略,會使我們對板塊的一些運動特徵產生疑惑。畢竟板塊的產生與運動是一個多作用因素綜合作用的結果。例如,我們從大西洋中脊可以明顯看出,大洋中集中的轉換斷層密度(後面有定義:單位長度上的轉化斷層的條數,單位條/公里)都是向赤道方向隨緯度的減小而增加。這主要是板塊在地球自轉離心力作用下,先赤道方向移動,造成轉換斷層的擠壓、間距減小造成的。還有,就是大西洋的產生,造成歐亞大陸板塊下的岩漿向兩側移動的過程中,歐亞板塊下的岩漿並沒有向北運動,而是南移從而促成了青藏高原的隆起、阿爾卑斯山脈的形成。
    5.“地幔對流”熱機驅動機制存在的問題:
    上世紀“國際上地幔計畫”發現,全球各地上地幔存在不均一性。各大洋洋底玄武岩成分的系統差異,表明地球從星子聚集形成後,能導致地幔成分均一化的地幔對流不可能存在。不然,這種不均一性早在對流運動中趨於一致了。
在150-200km(有些可達到300-450km)深度上地幔中生成的大顆粒金剛石,生長溫度與壓力在30億年中基本未變的包裹體測量結果表明:地幔中並無板塊說所設想的對流現象存在!
    地熱學的研究早就給出了同樣的結果:“放射性熱量隨深度呈指數減小。我們已經知道由於裂變物質鈾是親氧物質,因此,其主要存在於地表層。地球內部放射性物質極其稀少,尤其是其均勻的分佈更本就不能為 “地幔對流熱機”提供固定的熱源——對地幔對流說,這無異於釜底抽薪。
    此外,地下岩漿的對流運動速度遠小於岩漿分子的熱運動速度。其擁有的成分應該早已趨於均勻沒有理由在大樣中脊處富集產生對流運動。因此,地幔對流說不能解釋全球板塊的產生與運動現象。
    6.地球演化中確鑿存在又極其重要的“地幔分異”過程被忽視了:
    “地幔分異”是地球演化過程中確鑿存在而又極其重要的物質過程。作為地球主要特徵的“圈層結構”正是分異的結果。“對流”與“分異”是兩種不相容的物質運動過程——有對流就會造成物質的均勻性分佈而不會存在分層現象;相反,分層現象的存在否定地幔對流的存在,尤其是全球性的地幔對流根本就不可能存在。
    7.板塊說不能解釋中國大陸的地震活動:
    按照現有的板塊理論,地震是板塊碰撞的結果。但是,中國大陸地震都發生在所謂的“板塊內部”。因此板塊碰撞不能解釋中國大陸地震。
    發生在華北地區的強震,大都發生在晚新生代以來的繼承性斷陷盆地中。如山西斷陷盆地、河北平原凹陷、渤海凹陷和下遼河凹陷中都發生過7級以上強震。在華北平原上更發育了一系列平行的斷陷拉分盆地,板塊說不能很好地解釋華北的地震。這裡的結構也與太平洋板塊向西運動擠壓作用不協調。
    中國地質科學研究院的資深研究員趙宗溥在分析了大陸內部,尤其是中國大陸造山帶的地層、化石等資料後指出:“碰撞造山說法,根本是沒有地質事實根據的臆說”。
    有人會說,板塊說還是用一種統一的觀點解釋了如全球性的大洋中脊體系、海陸交界處的貝尼奧夫帶、地磁異常條帶等多種地學現象。其實,這些現象具有多解性。這需要一個能包容所有資訊的,能解釋全部現象的新理論。
    下面我們再談談支持海底擴張的事實。
20世紀60年代的海底大發現,催生了海底擴張說和板塊構造說。其中條帶狀海底磁異常、深海鑽探及轉換斷層是海底擴張說的三大支柱。
    隨著科技的進步,關於海底我們有了更多的可靠資料,現在我們回頭再分析一下這三大支柱的正確性。
    1、條帶狀海底磁異常的存在
    為了解釋大陸漂移的動力來源,赫斯1961年基於太平洋東北角和大西洋北部局部的磁異常帶與洋中脊平行的事實,開創性地提出了海底擴張學說。
    2007年法國地質局編繪了全球目前唯一的世界磁異常圖,遺憾的是該圖否定了條帶狀磁異常與洋中脊平行的觀點。也因此給了地幔對流說一記沉重的一擊。
    紅海是一個新生代裂開的新海洋,按照海底擴張假說,磁異常條帶必定和洋中脊呈現條帶狀平行分佈,但實際上並不是這樣(圖1),在紅海西部,磁異常條帶幾乎與洋中脊垂直,而在紅海東部磁異常也並不呈條帶狀,而是呈現團塊狀與洋中脊呈平行狀。
    無獨有偶,這一現象在印度洋中也有,我們繼續分析下去。印度洋是一個成熟的大洋,那裡的洋中脊與磁異常條帶也沒有平行關係(圖1)。事實上在太平洋和大西洋等全球區域,大多數地區磁異常條帶並不平行洋中脊。
   
 
    2、深海鑽探結果
    海底擴張假說認為,由於洋中脊不斷噴發的玄武岩造成了海底擴張,像傳送帶一樣拖曳大洋板塊、大陸板塊發生漂移。
    2015年,中國著名地學院院士任紀舜等人在地質論評上發表了一篇論文“尋找消失的大陸”,他們通過大量全球ODP(深海鑽探)、海洋地質和地球物理調查表明全球大洋中存在大量古大陸殘片。按照海底擴張假說,洋中脊上岩石年齡應該接近於0,而事實上卻並不是這樣的,圖2給出了赤道大西洋洋中脊附近古老的大陸岩石分佈,在該地區鑽探發現大量的古生代和前寒武紀岩石。這些岩石年齡少則300Ma-330Ma,多則1600Ma-1850Ma。這與傳統的海底擴張假說完全不符。大洋中的古大陸殘片否定了海底擴張模型。
    3、轉換斷層的產生
    大洋中脊被一系列橫向大斷裂錯斷,這些大斷裂從20世紀50年代被發現直到60年代中期一直被認為是平移斷層。直到1965年Wilson從動力學的角度提出這類斷層是由於海底擴張引起的“轉換斷層”。其依據是根據當時剛剛完成的局部海底地貌形態進行的推斷(圖3)。這種推斷未免武斷,就像現在我們看到一幅山脈地形圖,如果不進行地質解剖是不能夠直接判定那是“轉換斷層”一樣。
   
 
    事實上,Wilson提出的這個所謂“轉換斷層”不符合物理學基本原理,在物理上是不可實現的。它不是地幔對流產生的,使板塊不同步運動形成的。
    另外,分析海底擴張理論描述的海底擴張過程,可以歸納到海底擴張力具有如下特徵:
    如上圖所示,有物理學的知識可知,大洋中脊出來的對流的岩漿在對流過程中,會由於其與大洋板塊的摩擦而減速。其本來的對流速度就很小,因此,大洋板快下的岩漿的對流運動距離不會很長,在距離大洋中脊很近的距離處就會出現停頓現象。從整體上說,一方面,若是存在地幔對流對板塊的推動造成板塊的產生與移動,這一推動力也是主要存在于大洋中脊處。根本就不會存在像太平洋板塊那樣長距離的地幔對流;另一方面,由物理知識可知,大洋板塊在中脊處受到的推力最大,在接近大陸的地方收到的推力最小。
    我們把大洋板塊分成若干塊,一方面,由於大洋板塊的剛性,會把最前端的來自大陸的阻力傳到大洋中脊處;另一方面,大洋板快與下邊的岩漿物質的摩擦力是每一部分產生的摩擦力之合。這樣推動接近大陸板塊的第一塊大洋板塊的力就是來自大陸的阻力加上地幔對其的摩擦力,而推動接近大大洋中脊的第一塊大洋板塊的力就是來自大陸的阻力加上地幔對其前方所有板塊的摩擦力之合。這就產生一個問題。一方面,在大洋板塊的溫度和厚度隨距離中脊的距離的增加而減小;另一方面,大洋板塊受到的推力隨距離大洋中的距離減小而增加。我們知道,按現有的板塊擠壓產生山脈的理論,大陸發生擠壓變形隆起而產生山脈——如科迪勒拉山脈等。因此,這會使接近大洋中脊的大洋板塊產生更為嚴重的隆起變形。而此不是事實。南太平洋中脊的高度沒有安第斯山脈的高度高這是為什麼?
    還有,在大西洋中部海域的佛德角群島到加勒比海的之間的大西洋海域之中,存在一個被譽為“地球傷口”的海底巨坑,延伸約有數千平方公里,最高處位於海平面之下3000米。海底其他地區都有大約4英里(約6.4公里)厚的洋殼部分,而這個巨坑上層只有一層薄薄的地幔,並不存在洋殼。而且,它確實發生了位移,從大洋中脊移到了現在的位置。地下岩漿為什麼不在此溢出產生隆起或山脈,在地蠻對流的推理作用下這裡為什麼沒有發生褶皺變形?
這些困惑體現了板塊的運動是在自身重力作用下的重力下滑而不是地幔對流。
    根據海底擴張學說,大洋中脊的擴張力是對大洋板塊作用並使大洋板塊發生位移的力,其方向是水準方向指向大陸的。各大洋的擴張是以大洋中脊為整體的擴張,即在64000公里的長度上,大洋中脊每年擴張約2釐米。這種擴張以線狀的形式存在。這就產生了一個問題,從地幔中溢出的岩漿為什麼以線狀的形式存在,尤其是,為什麼從中脊溢出的岩漿在很長的距離內——如大西洋中脊從北極到南極穿越了整個地球——是怎樣保持推動力的相同性,從而保證板塊從整個中脊同步離開而不發生傾斜——我們從沒有見到在漫長的中脊中隨機的不同步的運動現象。
這是現有的地幔對流說解釋不了的。
    在發生地幔對流的時候,由於流動的地幔與上邊大洋板塊的摩擦力的作用拖曳板塊的移動。這是這個摩擦力的存在,會消耗對流岩漿的動能,從而使其運動速度越來越慢,需要從後面得到能量——水準方向的動能而不是熱能,熱能只能各方向的隨機運動,而不會產生定向的運動。這種岩漿的減速現象,會阻止後面的岩漿的水準運動,直到全部停止下來為止,這是地下岩漿只能升高高度——溢出大洋板塊在大洋板塊的上邊流動。同時重力下滑運動對板塊產生輕微的拖曳作用,而不能推到巨大的大洋板塊及與之耦合在一起的大陸板塊的水準運動。這樣就會在大洋中級的兩側堆積成越來越高的山脈,直到不能再升高為止。
    因此,促進板塊產生與運動的地幔對流是不存在的。
    火山與地震是直接反映地殼活動的指標。在上邊的分析中我們看到,越接近大洋中脊的地方約會產生岩漿的堆積,從而產生隆起的高大山脈。這樣在地幔對流運動中會造成運動的不平衡,必然會導致洋殼受擠壓的程度不同,在某些部位,洋殼擠壓的力會超出洋殼固體剛性力的承受範圍,從而導致地震的產生。但是,客觀存在的事實是海嶺幾乎不具有地震活動。這一現象是地幔對流說 不能回避也不能解釋的。還有,在冰島地下岩漿溢出洋面,這說明這裡的岩漿壓強大於其他地方,但這裡的大洋板塊並沒有沿平行於中脊方向產生擴張。這裡的大洋板塊也沒有被橫向撕裂這是為什麼?在夏威夷群島我們看到同樣溢出的岩漿並沒有產生南北方或東、西方向的推動力。這是為什麼?!
    按照地幔對流說,太平洋板塊向西俯衝擠壓亞洲東側的大陸及這裡的島嶼,在水準方向上大洋板塊的俯衝作用表現為推動大陸板塊移動,在垂直方向上大洋板塊的俯衝作用表現為推動大陸板塊抬升。而此不是事實,日本地震表明,這裡的日本島在下沉,而起東側的大洋板塊卻在抬升且整體向東運動。這體現的事實是,太平板塊在向東運動的過程中,使日本島逐漸失去了支撐,從而,一方面下沉,一方面東移;相反,缺少了日本島的壓力的大洋板塊,彎曲度減小從而出現抬升現象。
    太平洋與亞歐大陸交接邊緣是東亞島弧褶帶,由千島群島,日本群島,琉球群島,臺灣島,菲律賓群島和巴拉望等山脈構成。分析東亞島弧褶帶的弧形分佈特點,可以看到這些現象:
    1.組成東亞島弧褶帶的各群島,小範圍內呈弧形分佈,弧形所形成的圓心處於各群島的西側。譬如,千島群島半包圍西側的鄂霍次克海,日本群島半包圍西側的日本海,琉球群島半包圍西側的黃海東海,菲律賓群島巴拉望等山脈半包圍西側的南海。
    2.東亞島弧褶帶,弧形所形成的圓心整體上處於東亞島弧褶帶西側的亞歐大陸。
    根據海底擴張學說,大洋板塊在地幔對流下擠壓大陸板塊,在這樣的作用力作用下,陸殼物質呈弧形分佈,弧形所在圓心即應該在大洋方向。這與組成東亞島弧褶帶的各群島,弧形所形成的圓心處於各群島的西側,東亞島弧褶帶,弧形所形成的圓心整體上處於東亞島弧褶帶西側的亞歐大陸的地理事實恰好相反。這是為什麼?
    對上地幔的深入研究表明,多數橄欖岩和純橄欖岩包體中K,Ca,Sr,Ba等生熱元素含量石太低,不能使岩石產生部分熔融,同時,橄欖岩和純橄欖岩包體熔融後的物質成份與玄武岩岩漿不同,所以,現存的上地幔物質只是上地幔熔融產生玄武岩漿後的殘留物,它並沒有參與地殼的重熔再生,即地幔不存在物質對流現象。存在的只是隨著核裂變物質的不斷減少,地殼的溫度在分異過程中逐漸降低自身的溫度。
    根據近期的研究資料,尤其是地震波成像資料表明,地球內部的圈層結構並不都是連續分佈的:地震波中代表局部熔融岩石的低速帶在剖面上常被高速團塊所阻隔,受阻的軟流層或者為高速團塊所抬升,或者下陷到670公里相變面上方,軟流層整體上以似層狀體的形式存在。地球內部不連續的圈層還有康氏面。俄羅斯柯拉半島超深鑽井並未發現原預測存在於7公里深度的康氏面。同時,地震成像資料表明,康氏面在許多地區並不存在,上下陸殼之間也沒有截        然不同的介面,而是複雜的交錯和滲透。這否定了整體對流的存在。
根據物理學熱能傳遞的規律,只要存在溫差,就存在熱傳遞,因為正常穩定大陸地殼底部為400-600℃,高於洋殼底部的150-200℃,所以,陸殼與洋殼之間,熱能的傳遞是由大陸底部傳遞給大洋底部的。這怎麼產生從大洋中脊到大陸的對流?!
    對於板塊運動的驅動力,現階段的地理學者認為,板塊運動還有運動板塊產生的動力源,其一,俯衝板塊產生的拉力,即溫度較低的板塊俯衝到溫度較高的地幔中時,俯衝板塊的低溫和高密度相對於地幔物質的高溫和低密度產生的下沉力;其二,大洋中脊擴張產生的推力。我認為前者是正確的,後者是錯誤的,地下岩漿的運動主要存在形式是隨地球的自轉而主體向東運動。在板塊下的運動,還受到板塊的擠壓力的作用,存在沿板塊傾斜方向向上的運動。這是液體受到擠壓是必然的運動趨勢。
    只不過現有理論不能解釋下滑力的產生原因。
如果山脈確實由板塊互相擠壓,互相重疊而成,那麼,山脈底部地殼厚度要大於平原底部地殼厚度,並且,因為承受了更大的擠壓作用,產生壓縮的山脈底部地殼密度要大於平原底部地殼密度,這在重力上表現為山頂大於山腳。這樣的推測結果與經布格校正後的重力異常在高山區區往往有較大負異常出現,反映高山之下存在相應的品質虧損,山體的密度較小相矛盾。

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