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地幔弦动-挑战地幔对流动力

王金甲 (wangjinjiag@sohu.com) 上传2007.11 浏览294


茫茫大陆,就像硕大无比的巨轮,竟然可以一漂千里。它经历过长期的漂移,而且至今仍在不停地漂移着。大陆漂移( continental drift)的概念,今天已广为人们接受。但这一概念从提出到接受并不是一帆风顺的,而是经历了提出、衰落到重新兴起的过程。

尽管大陆漂移的思想早有萌芽,但是第一次全面、系统地论述大陆漂移假说的是德国气象学家和地球物理学家魏格纳。魏格纳最初于 1912年发表大陆漂移观点,至1915年进一步著成《海陆的起源》一书,系统地论述了大陆漂移问题。魏格纳认为:较轻的硅铝质的大陆块就像一座座块状冰山一样漂浮在较重的硅镁层之上,并在其上发生漂移;全世界的大陆在古生代晚期曾连接成一体,称为联合古大陆或泛大陆( Pangaea),围绕联合古大陆的广阔海洋称为泛大洋(图9.1);可能由于某种作用力的影响,自中生代开始,泛大陆逐渐破裂、分离、漂移,形成现代海陆分布的基本格局。

魏格纳的大陆漂移说主要是根据大陆形状的相似性、地层、地质构造、古生物、古气候等方面的证据提出来的。

魏格纳起初曾从大西洋两岸非洲和南美洲的海岸线弯曲形状的相似性中得到启发。后来他进一步发现美洲和非洲、欧洲在地层、构造和古生物化石的分布方面均有密切联系。例如北美洲纽芬兰一带的褶皱山系与北欧斯堪的纳维亚半岛的褶皱山系遥相呼应,同属早古生代的加里东褶皱带;美国阿巴拉契亚山的海西褶皱带,其东北端没入大西洋,延至英国西部和中欧一带复又出现;非洲西部的古老岩石分布区(老于 20亿年)可以与巴西的古老岩石区相衔接,而且二者之间的岩石结构、构造也彼此吻合;非洲南端的开普勒山脉与南美的布宜诺斯艾利斯附近的山脉在地层和构造上可以彼此衔接等等(图 9.2)。对此,魏格纳作了一个很浅显的比喻。他说,如果两片撕碎了的报纸按其参差的毛边可以拼接起来,且其上的印刷文字也可以相互连接,我们就不能不承认这两片破报纸是由一大张撕开来的(图 9.3)。魏格纳还指出,在非洲和印度、澳大利亚等大陆之间,也有地层构造之间的联系,而这种联系都限于中生代以前的地层和构造。

古生物学家早就发现,在目前远隔重洋的一些大陆之间,古生物面貌有着密切的亲缘关系。例如,中龙是一种营淡水生活的小型水生爬行类,它既见于巴西石炭 —二叠系的淡水湖相地层中,也出现在南非的石炭—二叠系同类地层中,而迄今为止,世界上其它地区都未曾找到过这种动物化石,这表明巴西和南美之间一定有过陆地相连系。又如舌羊齿植物化石,广布于澳大利亚、印度、南美、非洲等南方诸大陆的晚古生代地层中,为解释这些现象,古生物学家曾提出 “陆桥说”,设想在这些大陆之间的大洋中,一度有陆地或一系列岛屿把遥远的大陆联系起来,后来这些陆桥沉没消失了,大陆才被大洋完全分隔开来。然而,魏格纳却认为,各大陆之间古生物面貌的相似性,并不是因为它们之间有什么陆桥相联系,而是由于这些大陆本来是直接毗连在一起,到后来才分裂漂移开来。

在魏格纳提出的漂移说中,古气候的证据占有重要的地位,其中尤以古冰川的分布最具说服力。距今约 3亿年前后的晚古生代,在南美洲、非洲、澳大利亚、印度和南极洲都曾发生过广泛的冰川作用,有的还可以从冰川的擦痕判断出古冰川的流动方向(图 9.4)。从冰川遗迹分布的规模与特征判断,当时的冰川为发育在极地附近的大陆冰川。而且南美、印度和澳大利亚的古冰川遗迹残留在大陆边缘地区,冰川的运动方向是从岸外指向内陆,反映古冰川不是源于本地。要解释这种古冰川的分布及流向特征,过去一直是地质学上的一道难题。但是,正是这些特征,却为大陆漂移说提供了强有力的证据。在漂移说看来,上述出现古冰川的大陆在当时曾是连结在一起的,并且处在南极附近,冰川中心位于非洲南部,古大陆冰川由中心向四方放射状流动,这就很合理地解释了古冰川的分布与流动特征。除古冰川遗迹外,蒸发盐、珊瑚礁、红层等作为古气候标志,也可用来推断它们形成时产生的古纬度。魏格纳等曾将石炭纪蒸发盐、煤等的分布标在联合古大陆上,其中岩盐、石膏、沙漠砂岩均集中在干燥的亚热带,与它们所要求的古气候条件完全相符,从而为联合古陆的存在提供了佐证。

尽管大陆漂移学说的论据虽然很多,但漂移的机制并没有很好解决。因此,受当时认识水平的限制,大陆漂移说受到许多地球物理学家和地质学家的反对。到 30年代,大陆漂移说便逐渐衰落下来。到了50年代,由于一些新的、独立的大陆漂移证据的发现,使得大陆漂移说再度活跃起来。其中最有力的证据是古地磁学研究的成果。尽管大多数人都已接受了魏格纳的观点,但是因为还有一个关键问题还没有解决,故而它目前只能算是一个科学假说。这个关键的问题即是究竟是来自哪里的力驱动重达 1000亿亿吨的6块大陆漂移的?即就是说,为什么大陆会漂移仍是一个未解之谜。

为了解决大陆漂移的动力问题,1929 年,英国学者A. 霍姆斯首先比较完整地阐述了地幔对流说。 60年代初期,H.H. 赫斯和R.S. 迪茨在地幔对流说基础上创立海底扩张说。随着海底扩张说的迅速发展,地幔对流说备受重视。 60年代晚期板块构造说问世以来,多数学者将地幔对流当作板块运动的驱动力之一。
  通常认为,地幔对流的能量来自地球内部放射性物质蜕变产生的热能,以及地球内部物质重力分异释出的重力能。尽管地幔基本上是固体,但在高温及长期应力作用下,具有一定的塑性,可发生缓慢蠕动。地幔对流的一般图式为:上升流在岩石圈底部向外分散,形成背驰的水平流;相向而行的水平流汇聚而向下,形成下降流;下降流在地幔深处分散,形成反向水平流,尔后补给上升流,构成封闭的环流。对流速度约为每年数厘米。在霍姆斯早期的对流模式中,首先提出地幔发散上升流可使大陆裂开,形成新的洋盆,但认为洋盆中仍保留着残留陆块。在海底扩张和板块构造模式中,对流上升处形成新的洋壳,岩石圈板块(包括大陆和洋底)驮伏在地幔对流体上发生大规模水平运动;板块分离边界 ──大洋中脊和裂谷系,与发散上升流有关;板块汇聚边界── 俯冲带和碰撞带,则与汇聚下降流有关。
  地幔对流说合理地解释了地壳既有垂直运动,也有水平运动;既存在着拉张,也存在着挤压。然而,对流究竟是限于地幔软流圈,还是涉及到整个地幔,或者上地幔的对流与下地幔的对流是分隔开的,这些迄今未取得一致认识。目前还缺乏地幔对流的直接证据,并且也存在许多自相矛盾的问题。多数人认为地幔中不可能发生对流,即使有对流使固体地壳漂移动力还是捉襟见肘。

宇宙自转天体都普遍存在较差自转想象。地球的液体外核把地球分成能相对运动的两部分。既然能相对运动,那么研究其相对运动方向就是一个实质性问题。学过力学的都知道物体运动的方向是受力的方向所控制。 现代发现地球是层圈构造,地球内核发现于1936年,在地球内核发现 60年之后的1996年,美国哥伦比亚大学的宋晓东博士和 Paul Richards又发现了内核差速旋转的惊人的地震学证据,内核位于粘度极低的液体外核中故内外差速并不困难,这一发现对于地球磁场起源、倒转,以及地球演化的诸多问题意义重大。液体外核以上部分,以约 0.4-0.5度/年差速旋转数率相对于内核向西旋转。

由于地球是倾斜自转。那么,液体外核以上部分与内核差速就存在一个 23.5度的角度(见图)。液体外核以上部分与内核在差速中,两极逐渐向赤道弦动,直至换位。在这之间不同年代形成的火成岩和沉积岩记录“地幔弦动”的全过程。“地幔弦动”使两极有热带遗迹、动植物化石,而低纬度有冰臼、冰川遗迹,在“地幔弦动”过程中板块在两极失去线速度而沉降、拥挤、叠层。板块在低纬度获得线速度而扩张、开裂。这就是大陆漂移的真正动力。

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