火山、地震的深部成因

发布时间：2023-03-01 06:51:03

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 火山、地震的深部成因
作者：吴青
来源：《大自然探索》2013年第05期
“人们都以为魔鬼降临。一些人相信这就是世界末日的开始。”对于在1812年1月23日写下这两句话的乔治·海因里希·克里斯特来说，那场刚刚撕裂了密西西比山谷的系列地震不仅非常致命，而且难以解释。200年过去了，今天的我们仍未能破解这个奥秘——根据板块构造论，美国中西部根本就不是应该发生地震的地方。
地球上的“怪异”之地还不只这一处。苏格兰西岸海域的海底地貌，南太平洋的海底火山，非洲南部的穹窿构造……全球都能见到板块构造论所无法解释的地貌。
板块构造论从50年前开始被广泛认可，其中心内容是：地球的最上层——岩石圈或称陆界（厚度为60～250千米）由一连串坚硬的板块组成，漂浮在黏稠的地幔之上。这一理论是由德国地球物理学家魏格纳率先提出的，他认为今天的各大洲形成于一个超级大陆——盘古古陆，它在两亿年前分裂并开始漂移。
魏格纳的理论最初被人嘲笑，但逐渐增多的证据表明地球表面确实在变化。到20世纪60年代，科学界开始接受板块构造论，认为它不仅能解释地球的多样化地貌，而且能说明为什么地球的大多数地震和火山活动沿着地表的一些带状地带——板块边缘——集中。在板块分离的地方，来自地幔的炽热物质上涌、冷却，形成新地壳，陆地上创生裂谷，海底则产生海脊；在板块汇聚的地方，板块之间相互挤压，强迫山脉隆起，或者在地震活跃的黏性俯冲带（例如爪哇海沟，2004年12月苏门答腊-安达曼大地震所在地），板块相互潜没到彼此的下方。 可是，到20世纪70年代，看起来无所不包的板块构造论再度遭到质疑。美国地质学家杰森·摩根原本是板块构造论的最早倡导者之一，却成为最早质疑该理论的人之一。他认为，板块构造论无法解释夏威夷群岛的火山活动——这座群岛远离太平洋板块边缘数千千米。板块构造论对此的解释是，火山活动是由板块弱点导致炽热物质从地幔被动上涌而引发的。而摩根指出，有一根炽热的地幔物质柱从地下许多千米的地方逐步往上挤压，最终挤破地表，形成了夏威夷火山。
到20世纪80年代中期，地震释放的地震波揭示了地球内部的一些状况，摩根等人的“奇谈怪论”开始被接受。在穿越不同密度和温度的物质时，地震波的速度是不同的。通过在地表放置传感器测量地震波到达的时间，科学家创制了地震波所经过的物质的三维图像并发现：在靠近地幔与地核（呈熔融状）交界处的地幔底部，坐落着两大堆非常炙热稠密的热化学物质，其中一个位于南太平洋下方，另一个位于非洲下方。它们每堆的直径都有几千千米，在每堆上面都有一根由更炽热的物质组成的超级地幔柱，而且看起来正上升至地表。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 这一发现或许解释了南太平洋中间海底为什么高出周围地貌大约1000米，以及从刚果以南直到南非南部的包括马达加斯加在内的整片地区为什么比周围地貌高的原因，而这是板块构造论所不能解释的。地震波成像还揭示，较小的地幔柱从冰岛和夏威夷下面的地幔上升至地壳，这或许解释了这两大群岛的存在及其岛上的火山活动。
不管往哪里看，到处都有地球内部垂直运动塑造地球表面的证据。在板块构造论形成以后，随着资料的积累和技术的发展，人们对地球板块理论的认识不断加深。
现在还不太清楚的是，这种机制是怎样工作的。板块构造论认为，沉降到俯冲带地幔中的物质在浅地幔中再循环，通过在俯冲带附近或更远的两个板块分离处的火山活动重新浮现。从20世纪80年代至今，利用地震资料得到的地球内部运动成像结果，进一步丰富了原先板块运动学说的内容。当板块下沉至地幔时，会引发地幔物质上涌。2011年，有科学家用电脑模型对俯冲带地幔进行模拟。结果显示，一旦一块俯冲板块到达地幔和地核交界层，就会挤压层中的物质，而这种物质与热化学物质堆相遇，就会在上方形成地幔柱。例如，潜没到阿拉斯加附近的阿留申群岛下方的俯冲板块可引发夏威夷下面的地幔柱形成，由此产生的热点为夏威夷火山增添燃料。
科学家还模拟了一个构造板块与其下面的地幔反向运动的情况。结果发现，如果这种剪切效应发生在地幔密度改变或上覆板块厚度改变的区域，就会导致地幔物质熔化并上涌。这一模型准确地预测了海底火山存在于东太平洋海隆（几乎与南美洲西岸平行的一条洋中脊）西面而非东面。地震波测量表明，西面的地幔和板块正在反向移动，而在东面却没有这样。这个模型还预测，剪切效应在美国西部、欧洲南部、澳大利亚东部和南极洲最明显，而所有这些区域的火山活动都远离板块边缘。
如果今天地球深处的动力学能改变地面地貌，那么同样的情形必定发生在过去。2011年，有科学家在苏格兰海域引发了一系列爆炸，以记录反射波，从而了解海底的情况，结果他们“看”到了隐藏在最近的岩石和沉积层下面的大约5500万年前的化石风景，包括小山、峡谷以及河流网络。通过分析河流随着时间而改道的情况，科学家发现，这片区域曾一度被抬离到高出海面近1000米，随后又被重新掩埋，整个过程发生在短短100万年内。如此之快的速度是板块构造论所无法解释的，而炽热的地幔物质从地幔柱呈放射状排开的话，就可能驱动附近冰岛的火山。如果把这个板块比作一张地毯，那么地幔物质就像老鼠在地毯下面跑，地毯上自然就会出现起伏。
科学家还辨识出了如今澳大利亚东部地下的类似的险峻垂直运动，它发生在1.45亿年前～6500万年前的白垩纪时期。再来看喜马拉雅山，它形成于3500万年前，当时印度板块与超级大陆冈瓦纳分离，加速北进，最终撞进欧亚板块。根据板块构造论，板块速度最多只能达到每年大约8厘米（这个上限是由俯冲板块能潜没进地幔的速度决定的），这不能解释为什么印度板块以每年最多达18厘米的速度朝着其目标上升。2011年，电脑模拟结果显示，由“团聚”地幔柱的迅速增大的顶部施加的水平力量，被认为是在6700万年前导致岩浆喷涌形成印度西部德干火山、让印度板块一路向前的力量源头。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 美国中西部的异常、周期性的地震破坏活动，或许能由板块构造论和边界应力的延伸来解释，但根本原因可能还得到更深处去寻找。科学家推测，远古的法拉龙板块在白垩纪期间开始沿着北美洲西海岸滑移进地幔，而这个板块目前已钻到足够的深度，从而导致海洋在地壳板块压力下沉降到中密西西比河谷下方，造成上覆岩石圈严重变形，最终引发了200年前的灾难事件。
如此看来，塑造地球的过去、现在和将来的并不只是板块运动，还有地球内更深部物质的变化和运动。 “1790足迹”
传统上，夏威夷群岛的基拉韦厄火山和它的哈勒马乌玛尤火山口，被当地原住民视为火山之神佩里的住所，夏威夷人会定期造访这些火山口以供奉神灵。发现于基拉韦厄火山附近的一系列人类足迹遗迹，被认为与该地区1790年的一系列小战役以及火山喷发有关，所以被称为“1790足迹”。
这些足迹被认为是由一支部队在撤退过程中留下的。在部队经过基拉韦厄火山时，火山开始喷发。部队头领认为可能是士兵们冒犯了神灵，于是将部队分成三支分队，全部留下来供奉神灵。其中两支分队在穿越沙漠时被火山喷出的火成碎屑物掩埋。只有一支分队在这次喷发中存活下来。一名早期地质学家把这些足迹归因于那些被火山夺命的士兵。
而最近的研究表明，其中至少一部分足迹应该归因于夏威夷人的日常生活行为，而与战争无关。经现代法医学鉴定，这些足迹中有许多是由妇女和儿童而非战士留下的。研究者推测，人们当初很可能正在这里用黑曜石制作工具，不料火山突然喷发，人们在匆忙逃离现场时留下了这些足迹。而当时士兵们正在山峰上，一些人被火山毒气杀死，而非被火山灰夺命。火山喷发导致下雨，火山灰变成泥巴，接着又在热带的烈日下很快固化，最终把足印保存在了干燥的沙漠里。
夏威夷火山奇观
2012年11月下旬，美国夏威夷群岛的最大岛屿——大岛上的基拉韦厄火山喷出的熔岩流入11千米外的大海，造就了宏大而罕见的蒸气海浪奇观。这也是它的熔岩自2011年12月以来首次入海。
熔岩入海的场面不仅非常壮丽，而且十分危险。熔岩到达海洋后会冷却、变暗和变硬，在喷涌的蒸气里成为一座熔岩三角洲。作为新形成的陆地，这种状态不稳定的熔岩三角洲有可能在没有任何警示的情况下发生坍塌，导致熔岩块和热水飞溅，就算是站在百米外的游客也可能遭到伤害。熔岩与海水接触时产生的看似无毒的蒸气也很危险，因为这种蒸气是酸性的，还包含微小的火山玻璃（又称松脂石或黑曜岩，是火山熔岩急冷时形成的天然玻璃）颗粒。不过，

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