冰川导致地球演化

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1、冰川导致地球演化冰川导致地球演化冰川导致地球演化廖永岩广东海洋大学电子信箱：随着对地球的不断认识，人们就大地构造，曾提出过很多学说。比较著名的有地槽-地台学说（J. D. Dana, 1873） 、大陆漂移学说（Wegener, 1912; Wegener, 1915; Wegener, 1929; Wegener, 2001） 、海底扩张学说（Hess, 1962; Dietz, 1961）和板块构造学说等(Morgan, 1968; Isachs et.al., 1968; Mckenzie, 1969)。板块构造学说得到古地磁学、地震学和古生物学等众多科学依据和测量数据的支持，被称为 2

2、0 世纪地质学的伟大成就(傅容珊和黄建华，2001)。板块构造学说对 2 亿年龄的海洋和大洋壳的地质问题，进行了很好的解释(Mckenzie, 1969; 傅容珊和黄建华，2001)，但仍留下一些有待解决的问题(傅容珊和黄建华，2001; Stacey, 1992; 宋春青和张振春, 1996)。为了解决大陆地质历史演化过程、地壳生长机制和板块运动驱动力等方面的问题，我们就现有地质学、古生物学、地球物理学、地球化学和古气候学等资料，对大地构造演化的地球动力学问题进行了研究。1 地幔浮力面理论我们先来做一个木块浸水小实验。将一些不同形状、大小及比重的木块，放入一盆水中（见图 1） 。因为木块的比

3、重比水小，木块将浮在水中。根据阿基米德原理（浮力定理） ，由于水对浸入水中部分的木块产生的浮力与木块的重量相等，不管木块的体积大小（只要不大于盆的水体） ，不管木块的比重大小（只要小于水的比重） ，不管木块的形状，也不管木块位于盆中水的什么高度，只要没有外力作用，最后，木块都会因为浮力作用，而停留在水面上。我们将这时的盆内水面，叫做“浮力面” （见图 1，a, e） 。图 1. 木块浸水平衡实验. A，大比重木块；B，普通比重木块；C，小比重木块；D，木块；E，加在上面的小木块；F，加在下面的小木块.不管木块是什么形状和大小，比重较大时，木块浸入水中的部分较多，比重较小时，木块浸入水中的部分较

4、少(见图 1，a)。 不管是什么形状、大小及比重的木块，若在水面下木块上增加一小块木块（浸入水中） （见图 1，f） ，由于增加的浮力大于增加的重力，则整个木块要相对“浮力面”上升，后又在“浮力面”处重新形成平衡（见图 1，g） ；若我们在水面上木块上增加一小块木块(见图 1，c)，由于浮力不变，而重力增加，木块将要相对“浮力面”下降，后又在“浮力面”处重新形成平衡（见图 1，d） 。我们将这种“浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡的现象，叫做“浮力面平衡” （见图 1） 。地球从外到内由地核、地幔和岩石圈构成(见图 2)。海洋岩石圈外是水和大气，大陆岩石圈外是大气。地幔部分可当成一种

5、流体（见图 2，B，C，D） 。若把岩石圈看成是由很多个小块（岩石壳小块，将级成岩石圈的一部分称为岩石壳）组成，每个岩石壳小块都浮在比重较大的地幔流体上。不管岩石壳小块原来位于什么高度（距地心的距离） ，由于岩石壳小块的重力（包括岩石圈上的水和大气的重力）和地幔对浸入地幔中岩石壳部分产生的浮力相等，岩石壳小块和地幔最后会在上面的木块浸水实验中的“浮力面”处达到一种流体静力学平衡。我们将这个地幔和岩石壳形成的“浮力面”称作“地幔浮力面” （图 2，F） 。 “地幔浮力面”是一个想象平面。因为，在实际的地球中，地幔外全部被岩石圈包围，是看不到这个“地幔浮力面”的。假设不考虑月球及其它星球对地球的影

6、响及自转因素的话，地球的“地幔浮力面”是一个圆球面。若考虑到地球的自转，过两极作一个切面，地球的“地幔浮力面”是以赤道为长轴，两极为短轴的椭圆。所以， “地幔浮力面”和“大地水准面”的形状相似，只是比“大地水准面”稍小，且位于地壳下方。假设没有外力的影响，地幔处于流体静力学平衡状态。不管是大陆岩石壳或海洋岩石壳，岩石圈、水和大气的重量和地幔对其的浮力相等，都在“地幔浮力面”处保持平衡。根据上面的木块浮力实验可知：若在“地幔浮力面”下加一岩石壳（比地幔比重小）物质，整个岩石壳将上升；后又在“地幔浮力面”处重新形成平衡；若在“地幔浮力面”上加一岩石壳物质，岩石壳将下降，后又在“地幔浮力面”处重新形

7、成平衡。我们将这种“地幔浮力面”两侧的浮力和重力改变后又重新形成平衡叫做“地幔浮力面平衡” 。图 2. 地球的内部结构. A，岩石圈；B，软流圈；C，部分上地幔；D，下地幔；E，地核；F，地幔浮力面.根据“地幔浮力面平衡”原理，若某一处的岩石壳“地幔浮力面”下生出了多余的“根” ，那它必须相对于“地幔浮力面”上升，也就是它必须长出相应的“枝”来。反过来，或某一岩石壳在地上长出了一定重量的多余 “枝” ，由于它的重量增加，那它必须相对“地幔浮力面”下降，也就是说，它必须相应地长出“根”来。2 冰川及其分类冰川，一般可分为高山冰川和极地冰川。高山冰川一般分布相对分散，且面积和体积相对较小。北极冰川

8、集中在格陵兰岛，占全球冰川的 9%。南极冰盖，集中了全球 90%的冰川，位于南极洲上(秦大河和任贾文, 2001)。极地冰盖，根据它对地质影响的不同，又可以分为三种：两极均是深海洋（海洋的深度大于冰川的入水深度，冰川不能直接和海洋底相接触）时形成的冰川海洋冰川，两极均位于大陆而形成的冰川双极冰川和一极是大陆一极是海洋时形成的冰川单极冰川。当冰川形成时，若是海洋冰川，不管冰川有多大，因其不能直接接触地壳，故它不能直接作用于它下面的地壳。同时，由于冰川的下部直接位于海洋中，由于海洋的对流（包括水平流和垂直流） ，相对于大陆极冰川来说，容易熔化。一般来说，这样的冰川不会造成明显的地质作用。3 诱发地

9、震及冰川形成时的造海作用为了便于理解冰川作用的机理，我们先来分析一下诱发地震。诱发地震是人类活动引发的地震。主要有水库地震、矿山地震等。水库蓄水时，大量水转入，在水库处形成巨大荷载。根据“地幔浮力面平衡”原理，水库处将相对“地幔浮力面”下降，这样就引起水库处地面下陷而形成地震。矿山开采时，大量矿物（如煤炭）转出，在矿山处形成巨大卸载。根据“地幔浮力面平衡”原理，矿山处将相对“地幔浮力面”上升，这样就引起矿山处地面上升而形成地震。石油开采形成的地震和矿山地震类似。虽然水库地震和矿山地震的发震机理，目前尚有争议(Gupta, 1992; Gupta, 2002; 秦四清和张倬元, 1995)。但地

10、震界一致公认，印度的 Koyna 水库 6.4 级（11-12-1967）(Gupta, 1985; Agrawal, 1972; Murthi, 1968)和中国的新丰江水库 6.1 级（19-03-1962）地震(Chen and Talwani, 1998; Rui 1978)，都是由于水库蓄水后引发的地震；德国东部 Suna 钾碱矿区 5.2 级（24-06-1975）和波兰Lublin 铜矿区 4.5 级（24-03-1977）(张少泉等, 1994)及中国湖南邵东煤矿 3.2 级（04-09-1997）地震，都是由于采矿或采煤引起的地震(Gibowicz and Guterch,

11、1982; Gibowicz, et. al., 1981; Cook, 1970; 肖和平, 1998)。据统计发现（1981）：10m 坝高90m 的 11000 座大坝，发生水库地震的概率为 0.63%；90m 坝高140m 的大坝，发生水库地震的概率为 10%；坝高140m 的大坝，发生水库地震的概率为 21%(易立新等, 2003)。这说明，水库地震的发生，明显与坝高和库容呈正相关；坝越高，库容越大，发生水库地震的可能性就越大。矿山地震，也与矿井深度和开采量正相关(肖和平, 1998; 陈德贻等, 1996)。Koyna 水库蓄水 5 年后发最大震（震源深度 27 km） ，新丰江水

12、库蓄水 2 年后发最大震（震源深度 5 km）(易立新和车用太, 2000)。水库地震，具有明显的滞后性，这说明水体对岩石的作用，是一种缓慢作用过程。水库区域能发生地震，就说明水库水体作用于岩石，已引起了岩石层的断裂。Koyna 水库，库深 100m，库容 2.78109m3，库面积1.15102km2，玄武岩底质；新丰江水库，库深 97m，库容1.151010m3（约 1.151013 kg） ，库面积 3.9102km2，花岗岩底质(易立新和车用太, 2000; 杨清源等, 1996)。这说明，象Koyna 和新丰江水库这样的水深和库容（水体质量） ，能引起玄武岩或花岗岩岩石层断裂，引发

13、6 级以上的地震(杨清源等, 1996)。从以上可以看出，虽然水库蓄水和矿山采矿，致岩石层断裂发生地震的机理，尚有待进一步研究(秦四清和张倬元, 1995)，但水库蓄水和矿山采矿能致玄武岩或花岗岩层断裂，已是不争的事实。和诱发地震一样，冰川引起造海作用，也是由于巨大质量的转移造成的(Kivioja, 1967)。因为水库地震的发生，明显与坝高和库容呈正相关；坝越高，库容越大，发生水库地震的可能性就越大。可以想象一下，假设南极不是冰盖而是一个水库，当一个水库贮水高度达到2450 米，也就是 Koyna 水库或新丰江水库的坝高的 24 倍，你能保证这个超级“水库”不会引发地震吗？你能保证这个超级“

14、水库”处不下沉吗？因为 90m 坝高140m 的大坝，发生水库地震的概率为 10%；坝高140m 的大坝，发生水库地震的概率为 21%(易立新和车用太, 2003)，你估计一下，这个“坝高”2450 米的南极巨无霸“水库”发生地震的概率是多少？所以，当面积 1.4107 km2、重约 2.641019kg、平均厚 2450m、最厚处 4645m 的南极冰盖形成时(秦大河和任贾文, 2001)，引起南极下陷，及引起地球岩石圈最易破裂处的花岗岩或玄武岩质岩石圈开裂，是很自然的。现以南极冰盖为例，分析冰川形成时的造海作用。南极冰盖未形成时，岩石圈和地幔处于流体静力学平衡状态（见图3，a） 。当南极冰

15、盖形成时，2.641019kg 的海洋水转移至南极，引起海退；海洋岩石壳上的重量将减少，南极大陆岩石壳上的重量将大大增加（见图 3，b） 。因这种作用是缓慢进行的，地球将表现出明显的塑性(刘本培和蔡运龙, 2000)（见图 3，c-f） 。根据“地幔浮力面平衡”原理，南极冰盖下的岩壳将大幅度下降（见图3，c-f） 。图 3. 南极冰川形成引起的造海过程. A，岩浆从洋中脊涌出；B，南极冰川；C，老岩石壳；D，软流层；E，由洋中脊处涌出岩浆形成的新海洋岩石壳.地球是一个密闭流体球体，岩石圈就是这个密闭流体的容器（见图2） 。根据流体力学原理，密闭流体在外力的作用下，流体不会或几乎不会被压缩；根据

16、巴斯噶原理：“施加压强于密闭容器内的流体，此压强无变化地传到流体的各部分及容器的器壁”(赵景员，五淑贤, 1981)。所以，当巨大重量的冰川引起南极岩石壳下陷时，将产生巨大的压强，流体地幔会把这个压强传至地幔的任何地方，并传至垂直于地壳的任何方向，且压强不变，方向向外（见图 3，b） 。这样，地球将在这个巨大作用力的作用下，向外膨胀（图 3，c-f） 。图 4. 洋中脊形成和海底扩张. A，海洋岩石壳外侧；B，海洋岩石壳内侧；C，岩浆流动方向；D，海底扩张方向；E，老洋底；F，早期形成的新洋底；G，较迟形成的新洋底；H，最后形成的新洋底.地球向外膨胀时，地球表面积将增加；也就是说，冰川形成的巨大作用力，将利用类似水库地震或矿山地震形成时，致岩石断裂的机制，在岩石圈的某处（最易破裂处，一般为洋中脊） ，将其撕裂（图 3，c-e） 。为了释放压力，岩浆将会从破裂处流出（图 3，c-e） 。这样就形成了洋中脊，从而使海洋得到扩张（见图 4） 。洋中脊逐渐流出岩浆（见图 4，b-e） ，直至把冰川施加的压