地球深內(nèi)部熱物質(zhì)形態(tài)與均衡調(diào)節(jié)機(jī)制探討

摘要：國際上利用地震層析成像技術(shù)在造山帶深部構(gòu)造、孕震機(jī)制、火山活動、板塊動力學(xué)、地幔對流等研究中都取得了許多重要成果。本文基于地球內(nèi)部圈層劃分的基礎(chǔ)，結(jié)合內(nèi)核的差異旋轉(zhuǎn)動力條件，通過現(xiàn)代地震層析成像技術(shù)分析地球深內(nèi)部的熱物質(zhì)所處的構(gòu)造位置和狀態(tài)，探討這些物質(zhì)的形態(tài)及成因，初步討論對地球固體層的周期性的彈性回跳，即脈動式均衡調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：地震層析成像；地幔熱羽；均衡調(diào)節(jié)；差異旋轉(zhuǎn)

引言

地球是現(xiàn)代仍然活動演化的行星，地球深內(nèi)部物質(zhì)成分組成、物理化學(xué)特性一直是地質(zhì)學(xué)家急切需要認(rèn)識的。但由于人類還沒有能力獲取原位（真實(shí)深度上壓力和溫度）條件下巖石的樣本，更無法測定該條件下的巖石礦物的物理一力學(xué)性質(zhì)等等。所以，在許多情況下只能依賴科學(xué)的方法推斷深內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)。

20世紀(jì)以來，地震學(xué)家獲得了許多對地球科學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的重要發(fā)現(xiàn)。如地球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的建立、深源地震的發(fā)現(xiàn)，利用地震波沿一定路徑穿過地核的走時(shí)隨時(shí)間發(fā)生了變化的觀測內(nèi)核差動旋轉(zhuǎn)（宋曉東、Richards，1996）等。通過地震層析成像分析觀測到的穿過地球內(nèi)部的地震波的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征獲得地震的破裂過程以及沿射線路徑上介質(zhì)物性信息。利用地震來獲取不同深度的地球介質(zhì)的分層或構(gòu)造圖像，地震層析成像技術(shù)在研究全球性分層結(jié)構(gòu)以及地球動力學(xué)特征方面有著十分重要的作用。本文通過對比分析一些地質(zhì)現(xiàn)象和前人的工作成果初步探討并有根據(jù)的推測地球內(nèi)部的構(gòu)造特征及演化。

一、地球內(nèi)部圈層劃分

地球?qū)尤?gòu)造的研究已經(jīng)有很長的歷史，不同震相地震波射線速度分析表明，固體地球內(nèi)部可分為地殼，它以Moho面為界與下部地幔分開，地殼平均厚度17km，對于洋殼而言其平均厚度為7km，陸殼則為33km，地殼以下到2900km深度是地幔，而670km深度上的地震波速度不連續(xù)面為界，將地幔分為上地幔和下地幔。深度為2900km到5150km的范圍是地球的外核，其呈流體狀態(tài)，因?yàn)榈卣饘W(xué)發(fā)現(xiàn)，地震S波（剪切波）不能在外核中傳播，地幔和外核之間的邊界稱之為核幔邊界（CMB）。從深度5150km到6371km是內(nèi)核，外核和內(nèi)核之間的界面（ICB），研究表明內(nèi)核呈固體狀態(tài)。

二、地球內(nèi)部熱物質(zhì)形態(tài)

根據(jù)地震資料顯示，在剛性的巖石圈下部，上地幔上部存在一個(gè)地震波傳播速度減慢的層，稱為軟流層，推測是由于放射性元素大量集中，蛻變放熱，使巖石高溫軟化，并局部熔融造成的，很可能是巖漿的發(fā)源地。下地幔溫度、壓力和密度均增大，物質(zhì)呈可塑性固態(tài)。地球的外核（2900km-5150km）為液態(tài)或超臨界狀態(tài)。由于核幔邊界的熱擾動，溫壓條件，天文等內(nèi)外因素的疊加，導(dǎo)致地核中的熱流體隨能量的積累快速的沖破界面的阻力，形成沿不同深度貫通的裂隙上上噴射的地幔熱物質(zhì)，這些熱物質(zhì)如同樹木的根部將成礦物質(zhì)不斷向上汲取并通過樹干運(yùn)移至合適的部位形成礦體。

地震斷層成像的地震速度異常可以是熱異常，運(yùn)用地震層析成像技術(shù)測得地球深內(nèi)部熱物質(zhì)有許多條典型的剖面，Bijwaard等列出了全球各地區(qū)俯沖帶和包括了印度板塊和歐亞大陸碰撞帶在內(nèi)的多個(gè)地震層析成像剖面。這些剖面的地震層析成像結(jié)果顯示地球深部的熱物質(zhì)橫剖面熱異常相態(tài)各異，其形態(tài)并非是標(biāo)準(zhǔn)的柱狀，而是扭曲的絲帶狀或羽狀。單就從0-1000km深度上的部分剖面，紅、黃、綠、藍(lán)顏色分別表示低、中低、中高和高速度，而物質(zhì)狀態(tài)則從液態(tài)、超臨界狀態(tài)到固態(tài)變化。這些冷熱物質(zhì)形態(tài)推測與地球旋轉(zhuǎn)，深內(nèi)部構(gòu)造及內(nèi)部圈層差異旋轉(zhuǎn)有關(guān)。

三、地球的均衡調(diào)節(jié)機(jī)制

可以做出這樣的實(shí)驗(yàn)：由于分子之間存在空隙，取一個(gè)50mL蒸餾水與50mL無水酒精。然后將50mL無水酒精倒入盛有50mL水的100mL容量瓶中。混合均勻后可以看到液面未達(dá)到100mL。現(xiàn)象很明顯：在形成酒精溶液時(shí)，總體積減小了。地球是一個(gè)受動力控制的整體系統(tǒng)，這些動力作用在所有組成她的物態(tài)之上，包括氣體、流體和固體，縱觀地球成長過程，重力分異作用使地內(nèi)重物質(zhì)下沉、輕物質(zhì)上浮，不同質(zhì)量、不同化學(xué)成分乃至不同物理性質(zhì)的深部液態(tài)或超臨界狀態(tài)的物質(zhì)有分離趨勢，同時(shí)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動，地幔對流也使這些物質(zhì)有均勻混合趨勢，這些物質(zhì)的分離、混合運(yùn)動將會導(dǎo)致地球體積的周期性改變。

與板塊匯聚地區(qū)巖石圈因擠壓而縮短、增厚，使等溫面下移。深部巖石圈根因變冷而重于周圍地幔，導(dǎo)致在重力上失穩(wěn)、拆離并沉陷到下伏熱地幔中并被后者置換的拆離和沉陷作用。巖石圈地幔被熱軟流圈所取代將引發(fā)快速的均衡回跳，并使地表的構(gòu)造體制從擠壓狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致造山帶坍塌和造山侵蝕作用的發(fā)生的觀點(diǎn)有所不同。對一定規(guī)模巖漿房來說，液態(tài)物質(zhì)儲集場所體積的改變會導(dǎo)致內(nèi)部壓力的突變，液態(tài)物質(zhì)均勻化過程使其體積減小，在場所的上部產(chǎn)生空間，壓力減小，當(dāng)場邊部固態(tài)物質(zhì)熔點(diǎn)減小達(dá)到一定條件將產(chǎn)生熔融，熔融物質(zhì)向下拆離導(dǎo)致上部固態(tài)物質(zhì)受到重力不均衡收縮作用使之產(chǎn)生更大空間，隨著這一過程的進(jìn)行，固態(tài)巖石持續(xù)熔融減薄，這些熔融物質(zhì)可能沿著構(gòu)造薄弱地帶上升形成綢帶狀或羽狀熱物質(zhì)流，達(dá)到地表則形成侵入體或者熔巖。前者的觀點(diǎn)是上部誘導(dǎo)觸發(fā)，而本文的觀點(diǎn)是下部誘導(dǎo)觸發(fā)。

地球深部圈層的熱流體或是軟流圈，或是下地幔，亦或外核，單就不同成分的熱液物質(zhì)相互疊加體積固然比混合之后體積大，那么在地球深內(nèi)部有液態(tài)物質(zhì)存在的場所，特別是不均勻部位，在以地幔對流和地幔熱柱為主導(dǎo)的地幔熱動力學(xué)系統(tǒng)中，如同一個(gè)巨型攪拌機(jī)使原始的不均一的地幔混合、均勻化。必將導(dǎo)致地幔整體體積的減小，而這個(gè)帶來的連鎖反應(yīng)是地殼跟隨地幔做回縮運(yùn)動，地球整體體積減小，地球自轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的增大。

當(dāng)然，地球從46億年演化至今，已然成為一個(gè)智能的系統(tǒng)，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度增加到一定程度，物質(zhì)在離心力，重力作用下又開始向著非均勻化方向發(fā)展，化學(xué)成分的非均勻分異、相變和對流的結(jié)果既使得地幔呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，又產(chǎn)生橫向不均勻性。漂浮在地幔之上的大陸就是非均勻分異的最直接證據(jù)（傅容珊，1990）。這些非均勻分異會致使地球深內(nèi)部特別是液態(tài)或超臨界狀態(tài)的物質(zhì)體積相應(yīng)增大，尤其是地幔和地球外核，增大的體積將擠壓推動地殼做膨脹運(yùn)動。地球整體體積有所增加，必將導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速度降低。形成一個(gè)周期性彈性回跳。也可以說地球在做脈動式均衡調(diào)節(jié)。

地幔在不斷地被對流攪動而均勻化，而地幔熱羽攜帶的原始或重循環(huán)的物質(zhì)，被俯沖板塊消減的來自巖石層的物質(zhì)又在破壞其均勻性。所以，一個(gè)成分基本均勻的地幔和基本不均勻的巖石層和D”層的同時(shí)存在，正是我們這顆行星現(xiàn)代仍然保持活力，仍然允滿大規(guī)模的突發(fā)事件和令人神秘莫測的魅力所在。

結(jié)論與討論

1.根據(jù)地震層析成像結(jié)果，推斷地球深部的熱物質(zhì)形態(tài)多為橫剖面似絲帶狀，這種形態(tài)可能與地球內(nèi)部各向不均勻、復(fù)雜的構(gòu)造條件有關(guān)，同時(shí)受內(nèi)核與外核乃至地幔的差異旋轉(zhuǎn)作用影響。推測這些不同方向扭曲的熱物質(zhì)內(nèi)部存在線狀面狀構(gòu)造等。這些這些構(gòu)造為不同的物理化學(xué)性質(zhì)界面所形成的。受到這些界面控制，使得熱物質(zhì)整體上構(gòu)成羽狀形態(tài)。

2.在以地幔對流和地幔熱物質(zhì)為主導(dǎo)的地幔熱動力學(xué)系統(tǒng)中，其主要的載體-地幔在不斷地被對流攪動而均勻化，這些熔融物質(zhì)的均勻化，使某一相對快速勻化區(qū)域熱物質(zhì)體積縮小產(chǎn)生空間，堅(jiān)硬巖石圈底部或者更深部位的固態(tài)物質(zhì)的底部承受擠壓力驟減，使其熔點(diǎn)降低產(chǎn)生熔融，熔融物質(zhì)向下拆離導(dǎo)致上部固態(tài)物質(zhì)受到重力不均衡收縮作用使之產(chǎn)生更大空間，隨著這一過程的進(jìn)行，固態(tài)巖石持續(xù)熔融減薄，這些熔融物質(zhì)可能沿著構(gòu)造薄弱地帶上升形成巖漿活動。

3.地球體積將會在物質(zhì)的均勻化和非均勻化運(yùn)動過程中做脈動式均衡調(diào)節(jié)，伴隨物質(zhì)運(yùn)動的強(qiáng)烈和緩和呈現(xiàn)一定的周期性。

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作者簡介：韋運(yùn)武，男，石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，區(qū)域構(gòu)造與構(gòu)造動力。

孫薇，女，石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，區(qū)域構(gòu)造與構(gòu)造動力。