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三疊紀以來全球板塊運動概述（十六）

2018/10/05   維加斯新聞報
劉文旺

    七、原始大陸與海洋的形成：
    分異作用：是指原來均一成分分離為不同組分的全過程。主要分為岩漿分異作用和沉積分異作用。
    大陸作為地球固體外殼的最重要組成單元，與人類關係最為密切，長期以來受到了地球科學界的廣泛關注。
20世紀60年代，隨著板塊構造理論的建立，地球科學發生了前所未有的革命性變革與發展，運用板塊構造觀研究大陸，極大地豐富和促進了大陸構造的研究；但是，20世紀80年代以來，隨著研究的深化，地球科學家們逐步認識到大陸不同于大洋板塊，是具有複雜物質組成、結構構造，並經歷了長期演化與改造的“拼盤”。迄今，難以用經典的板塊構造理論全面認識和解釋大陸的形成、演化及其動力學的所有問題，因此大陸問題迫切需要發展甚至超越板塊構造理論並亟待建立以大陸的研究為切入點，能夠合理概括大陸形成、演化及其動力學的新理論。大陸的產生與運動的理論也不能完全用現有的地幔對流說來加以解釋。
    到了20世紀90年代，世界各國紛紛提出了各自獨立的“大陸動力學”研究的國家計畫，以加強大陸形成、演化及其動力學的研究。經過了近20年的努力，儘管在大陸的物質組成、結構構造、形成演化等方面的研究積累了大量的新資料、取得了重要的新進展，但是，直到今天這一科學問題的解答依然任重而道遠，大陸動力學仍然是21世紀地球科學界最主要的科學難題之一。
    在上邊，我們提出了新的板塊的產生與運動的理論：由於大陸板塊不同于大洋板塊，大洋板塊是地幔物質在海水冷卻下形成的。因此，大洋板塊自身含有的核裂變物質經裂變反應產生的熱能在與海水的冷卻過程達到了熱平衡之後不會再增加其厚度，因此，大洋板塊不會自己產生膨脹、隆起以至於發生張烈產生新的獨立版塊；大陸板塊則不同，由於大陸具有較大的厚度，因此，這就限制了其不可能擁有無限大的面積。當其擁有的面積達到一定大小後，就會在自身核裂變物質產生的熱能的作用下發生熱膨脹現象，從而產生隆起、斷裂為不同的獨立版塊。當擴張的條件成熟後——如舊大板快板塊開始強烈的俯衝消失運動時，就會迅速分裂成若干獨立的板塊，並在自身重力作用下發生重力下滑運動，從而產生我們發現的板塊的運動現象。從我們的理論出發就會發現，板塊的產生與運動是板塊自身產生熱膨脹的必然。不是為什麼大陸板塊要產生獨立的版塊而運動，而是由於散熱的需要其必須要產生這樣的分分合合的南來北往的過程。
    也就是說，我們觀察發現的版塊的版塊的產生與運動的過程，是板塊自身釋放自己核裂變物質產生的熱能的過程。
    這也是為什麼新的版塊新的大洋板塊總是在大陸板塊中產生的原因。
    那麼最初的大陸板塊是怎樣產生的呢？
    由現有的理論可知地球內部圈層的劃分如下：
    （一）地殼 地殼厚度各處不一，大陸地殼平均厚度約35公里，高大山系地區的地殼較厚，歐洲阿爾卑斯山的地殼厚達65公里，亞洲青藏高原某些地方超過70公里，而北京地殼厚度與大陸地殼平均厚度相當，約36公里。大洋地殼很薄，例如大西洋南部地殼厚度為12公里，北冰洋為10公里，有些地方的大洋地殼的厚度只有5公里左右。整個地殼平均厚度約17公里。一般認為，地殼上層由較輕的矽鋁物質組成，叫矽鋁層。大洋底部一般缺少矽鋁層；下層由較重的矽鎂物質組成，稱為矽鎂層。大洋地殼主要由矽鎂層組成。
    （二）地幔 介於地殼與地核之間，又稱中間層。自地殼以下至2900公里深處。地幔一般分上下兩層：從地殼最下層到1000—1200公里深處，除矽鋁物質外，鐵鎂成分增加，類似橄欖岩，稱為上地幔，又稱橄欖岩帶；下層為柔性物質，呈非晶質狀態，大約是鉻的氧化物和鐵鎳的硫化物，稱為下地幔。地震資料說明，大致在70—150公里深處，震波傳播速度減弱，形成低速帶，自此向下直到1500公里深處的地幔物質呈塑性，可以產生對流，稱為軟流圈。這樣，地幔又可分為上地幔、轉變帶和下地幔三層。瞭解地幔結構與物質狀態，有助於解釋岩漿活動的能量和物質來源，及地殼變動的內動力。
    （三）地核 地幔以下大約5100公里處地震橫波不能通過稱為外核，推測外核物質是“液態”，但地核不僅溫度很高，而且壓力很大，因此這種液態應當是高溫高壓下的特殊物質狀態；5100—6371公里是內核，在這裡縱波可以轉換為橫波，物質狀態具有剛性，為固態。整個地核以鐵鎳物質為主。
    我們知道，宇宙中的任何一個天體的溫度都會在漫長的演化過程中，由於不斷向太空中輻射能量而逐漸降低其自身的溫度。現在的地球存在接近液態的上地幔及液態外核。其內部擁有接近太陽的表面的溫度——5000攝氏度左右，因此，可以推知在地球產生之初。無論是地下核裂變物質（那是地球擁有大量的段半衰期的核裂變元素，後來逐漸消耗盡了，現在只留下了長半衰期的鈾等裂變材料了）經裂變反應過程產生能量，還是，自身重物質下沉過程產生的能量，應該擁有較高的溫度。這樣，地球的化學物質就會發生各種可能的移動。在這一過程中，密度小的物質會上升，密度大的會下降從而使不同的礦物質發生分異現象。這樣，原是大陸板塊的組成成分就逐漸從液態的岩漿中分化出來。此時這些物質可能以液態的形式漂浮在地球表面。
    伴隨地球的降溫，地球上的水汽逐漸轉化為水，覆蓋在地球表面。這是原始的大陸板塊物質在新產生的水的冷卻下可能均勻覆蓋在地球的表面，形成薄薄的一層。但是，在日月等天體的潮汐力作用下，這樣的小地殼不會穩定存在，會在用湧動的岩漿的作用下被破壞，重新進入到地幔冰熔化在其中；或在水的作用下發生近似的過程，從而使其不均勻分佈在地球的表面，一部分相對較集中的地區，可能聚集大量的大陸物質。這時的地球表面不再是平滑的，一個個小的大陸板塊凸起在原始的大海之中。
    由於突起的部分用有較大的轉動慣量，因此，伴隨地球的自轉速度較小。而且大陸物質越多的地區，轉動慣量越小，自轉速度越慢。這樣一些小的大陸物質會從自轉方向的後面撞上前面擁有較大品質的大陸碎塊。這樣，經過漫長的地質年代——幾億年，這些小的大陸碎塊就逐漸彙集成較大的大陸板塊，
    同樣是由於地球自轉的存在，因此，在自轉離心力的作用下這些原始大陸碎塊還有一個向赤道方向聚集的趨勢。這樣最後最初的和隨後不斷分異出來的大陸碎塊會逐漸在赤道地區聚集。這也促進了大陸板塊的彙聚過程——最初的大陸板塊應該是在赤道地區產生的。
    由前面的分析可知，大陸面積不能超過一個最大面積之值，超過這一數值大陸就會在自身產生的熱能的作用下發生隆起斷裂而分開。而且這個最大面積值還隨時間的演化而逐漸變大。這是因為，其中的核裂變物質在隨時間而減小。產熱能力在逐漸減小。這樣地球上就逐漸產生了大陸、大洋板塊的產生與運動的過程。十分有趣的是，這是由於地球自轉速度很快，因此離心力很大，加上這時的大陸板塊很小，因此，相應的大陸板塊的紛紛合合只是在赤道兩側來回震盪。但是隨著大陸面積的不斷增加，這種運動規模越來越大。逐漸形成了我們現在見到的在地球兩極之間的南來北往運動。

       
 
    此外，我們還要從動態的角度加以分析。
    大陸是地球形成以來在46億年的長期複雜地質作用過程中，由各種不同塊體與組分，歷經多次改造而成的複雜拼合體。現有的研究認為，大陸在地球形成早期由地幔分異而派生，是由於高密度地幔物質部分熔融出低密度物質，並分異、向上運移，添加於地殼淺表部。這種地幔物質分異、運移、侵位過程造成大陸不同的深度層次具有不同的組成和分層結構。

   
 
    現有的岩石學研究成果已證實，地幔派生岩石主要是玄武質的，這明顯與現有地殼偏中性的平均成分相矛盾。因此，大陸動力學要面對的基本問題仍然是：大陸是如何形成的？其基本成分是什麼？大陸之下的岩石圈地幔的化學特徵如何？陸下地幔是析出地殼物質後的殘留體嗎？大陸地幔物質與大洋地幔物質是否存在本質的差別？
    其實，這不是問題，現階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過程中產生的肯定不是簡單的玄武岩。這是因為，現在玄武岩是經過漫長的分異後，再現階段能分異出的物質。這一點就如同從石油中通過蒸餾作用在不同的溫度下可以產生不同的物質一樣。也就是說，在不同的歷史時期地幔物質分異出的物質是不同的。可以推測，再過數十億年，如果地幔還存在的話分溢出的物質可能就不再是玄武岩或主要物質不是玄武岩成分了。
還有，大陸下的地幔物質與大洋板快下的岩漿物質肯定是不同的。不管怎樣分異，物質之間一定有擴散現象存在。這會導致大陸物質成分與岩漿中的成分存在混合的現象。這一點，可以在我們前面的分析過的環繞亞洲大陸東側的新的大洋板塊的成分與東側的太平洋板塊的組成成分存在明顯的不同上。當時，這一事例被用來說明太平洋板塊相對與亞洲大陸向東遷移的佐證了。
    同時，由於大陸“拼盤”是由不同的塊體拼合組成，並由於部分熔融和侵位元的橫向的差異性，使得大陸在縱向和橫向上表現出明顯的物質成分和結構構造的各向異性，加之不同歷史時期所形成大陸的差異性，使得不同地區、不同時間的大陸可能具有成因和特徵上的差異性。因此，在全球三維尺度上，研究大陸成因及其基本特徵和對比不同地質歷史時期大陸的成因及其特徵，仍然是富有挑戰性的科學命題。
    另外，大陸生長包括垂向生長和側向生長，地殼的形成是通過地球深部物質向地表的遷移實現的，並最終趨於在大陸地殼中達到物質的相對均衡穩定。岩漿的形成、運移和侵位是大陸垂向生長的基本過程，大陸的側向增生也是大陸生長的重要方式之一。側向增生是通過洋-陸、弧-陸俯衝、陸-陸碰撞作用，把不同陸塊、消減雜岩、俯衝岩漿作用的產物焊接、增生於大陸邊緣。
    大陸能夠長期保存的原因歷來是地學界長期探索的重要科學問題。迄今多數研究認為，80%左右的現今大陸在中、新太古代已形成，而且以奧長花崗岩、雲英閃長岩、花崗閃長岩為重要組成特徵。然而問題的關鍵是，這些岩石何以被長期保存？目前的研究多數將其歸因於大陸低密度，難以返回地幔。但是，越來越多的研究結果表明，低密度的大陸仍然是可以發生深俯衝的。因此，低密度是否是大陸得以保存的原因？對於這一問題，我們可能想多了，其實根本就不存在大陸的保存問題，也不可能完全保存下來，實際的過程是，這是一個動態的過程，時刻處於產生於熔化消失的過程之中、時刻處於熔化與再分異的動態過程中。就像大洋板塊存在產生與消融一樣，只是大陸板塊的變化只存在與地慢物質相鄰的區域。
    這體現在如下的事例中。
    近年來關於岩石圈拆沉作用的研究表明，大陸造山帶在後造山期往往會發生地幔拆沉，使得岩石圈減薄。我國華北克拉通的研究初步表明，它曾經歷燕山期大規模的減薄破壞。但是，地球物理學研究卻顯示在北美大陸之下存在一個很深的大陸根，插入大陸之下的地幔中。這些古老的大陸根如何形成，就是在不斷的分異中產生的。當然這裡存在一個動態的過程，大陸跟的組成學成分不斷與地幔岩漿中的物質是有交換的，大陸跟的產生與保持存在的存在本身就是一個不斷交換物質的動態過程，不存在潔身自愛的修女般的保持過程。
    已有的研究表明，大陸岩石圈屬性與結構不是板塊構造認為的“剛性”塊體，而是以富含矽鋁質、各向異性、非均一的、具多層分塊結構的半黏性彈塑性體，具有流變學特徵。這是顯然的，大陸的演化過程中，存在不知多少次的分分合合的過程，這時會疊加來自不同大陸板塊和大洋板塊的、火山中的物質成分。這一點可以明顯地從全球地殼實際存有不同地質時期的碎塊疊加產生的事實中看出。
    一句話，成分是一個動態的變化過程。是一個與地幔中的岩漿不斷交換物質、在板塊的演化過程中不斷更新其組成物質的動態過程。其組成具有歷史意義，不同的時間節點擁有不完全一樣的組成。不存在你絕對的大陸板塊與絕對的大洋板塊。
    當然，儘管有太古宙蛇綠岩的報導，但是，關於板塊構造究竟能夠上溯到什麼地質歷史時期？太古宙有無板塊構造？這仍需要不斷地積累沒有爭議的觀測事實。
    八、海水的演化
    地球表面的水主要是由大氣中的水蒸氣經液化產生的，還有一些來自於墜落地球上的彗星帶來的。它含有的鹽都是很小的。其主要溶解物就是地球產生時的一些易於溶于水中的化合物。像氨氣、二氧化碳及一些簡單的礦物質，還有一些在岩漿分異出大陸板塊的過程中，從最初的岩漿中溢出的可溶物質。這些物質能溶解在水中的主要就是鈉鹽、鎂鹽等。
    後來，由於板塊運動在大洋板塊不斷產生與演化的過程中，海水在冷卻岩漿產生大洋板塊的過程中，不斷從岩漿中溶解出可溶的化合物，從而使海水的鹽度逐漸增加。
    另外，從海洋中蒸發出來的雨水降落在大陸上，也會把存在於大陸上的各種可溶的化合物帶到了海裡。從而是海水的鹽度隨地球板塊的演化而逐年增加。
    現在的理論一般認為，海水中的鹽分是由陸地上的河流帶到海洋中形成的。這是不科學的。因為，就連大陸板塊本身也是從岩漿中分異產生的。大陸上的物質也是來源於岩漿。因此，這些物質會首先溶解在海水中。
    參考資料：李喜先、董光璧、郭愛克、胡作玄、劉次全；《21世紀100個科學難題》
        葉叔華《運動的地球》湖南科學技術出版社1997年6月第一版；
    邊兆祥、金以鐘《板塊構造評論》
    張瑩瑩《氣象學與氣候學》 北京師範大學出版社1991年4月第一版
    胡紹祥 《普通地質學》2014年8月第一版。