從物理學角度看板塊深俯沖快折返假說

1984 年法國人Chopin和Smith，把地表中發現的柯石英(和金剛石)超高壓變質體，認定是產生于上地幔的穩定相物質，提出了冷的地殼含石英巖石深俯沖到熱的地幔中，經超高壓變質形成柯石英，然后再折返回地殼并保留下柯石英；為了能在折返過程中保持柯石英不退變為石英，又提出了快速折返的觀點，這就是著名的“地球板塊深俯沖快折返”假說。

地殼俯沖是板塊構造學說的重要內容，27年來，國內外發表了上千篇論文，板塊深俯沖快折返假說成了地表柯石英形成機制的主流學說。然而，國內外對“板塊深俯沖快折返”假說一直存在激烈的爭議。2005年以來，國內蘇文輝教授在哈爾濱工業大學凝聚態科學與技術研究中心和吉林大學凝聚態物理系領導柯石英研究小組在國家自然科學基金非共識項目資助下，積極開展研究，提出了一種無需深俯沖快折返的地表柯石英形成新機制，引起了熱烈的學術討論。近期在《地質論評》雜志刊出了蘇文輝教授的新作《遠離平衡相邊界的柯石英形成機制及板塊折返假說的物理基礎》，從物理學的普遍規律、固體物質的結構與性質、高壓高溫相變規律和熱力學的角度，對“地球板塊深俯沖快折返”假說進行了分析和討論，得到了許多新認識，預計將掀起物理學與地質學交叉學科間的學術爭鳴的新浪潮。柯石英是石英的同質異相礦物，石英在常溫常壓下穩定，而柯石英在高溫高壓條件下穩定，壓力大于2GPa。持“板塊俯沖折返”假說者把地球巖石圈看作處于熱力學平衡態的靜態穩定流體，算出2GPa相當于地下至少70km以上深處的壓力，這時柯石英才能穩定存在。蘇教授指出，從實際固體地球物質結構角度，靜態流體模型顯得太粗糙，太理想化，與實際相距太遠。在實際固體地球中，特別是在巖石圈中，因組成物質、應力的不均勻性和小面積作用原理所形成的小尺度不均勻局域高壓微區的存在，擠壓、剪切等重要作用及其導致的形變、非晶化等效應，以及化學環境等的影響，在巖石圈淺部即可出現壓力達到形成柯石英的局部區域；考慮到還有其它影響石英—柯石英高壓相轉變的因素，這些局部區域是處于非平衡狀態的熱力學系統，其相變模式比平衡態具有更大的普遍性、多樣性。“70km以上深度”不是柯石英形成的必要條件。不能把石英-柯石英平衡態作為唯一態，否定眾多更為普遍的非平衡態柯石英形成模式，從而以地表柯石英的存在推出板塊深俯沖快折返唯一解。按“板塊俯沖折返”假說，板塊俯沖-折返過程的時間為10～20百萬年，這對地質學來說相當短暫，但對固態物質中的原子遷移和擴散，以及化學反應來說卻十分漫長。從固態物質高壓高溫相變規律看，如此緩慢的溫壓條件改變，不可能形成淬火效應，使柯石英在折返回地表過程中保存下來，必然要轉變為石英。如果按實驗室中保存柯石英的最低淬火速度（50℃/s～100℃/s），則必須在幾秒至十幾秒的時間內從70km以下返回地表。另一實驗中，在1 000℃ 3.9GPa獲得柯石英后連續缷壓降溫，如果時間持續達20小時時，柯石英絕大部分消失；40小時時，柯石英即完全消失。