| 作者：廖永巖 編輯：探礦者
1 冰川形成對火山噴發(fā)和地震的影響 在冰川形成和消融過(guò)程中,的確有相應的火山形成，這已為大量的地質(zhì)資料所證明（Kennet and Stott, 1991; Zachos, et. al., 1993; Eldholm and Thomas, 1993; Zachos, et. al., 1994; Renne, et. al., 1995; Clark, et. al., 1986; Jin, et. al., 2000; Zhou and Kyte, 1988）。但是，冰川的形成和消融如何引起火山噴發(fā)和地震？或者說(shuō)，冰川形成和消融引發(fā)大規?；鹕絿姲l(fā)和地震的原因如何？這卻很少有資料報道。 綠色植物的光合作用，導致CO2等溫室氣體的濃度降低，使大氣溫度下降。當兩極及高山的溫度下降至0℃以下時(shí)，極地及高山冰川形成（Berner, 1997; Berner, 1993）。 地球表面是由地殼和上地幔圍成的固態(tài)巖石圈。巖石圈內，則為具有一定液態(tài)性質(zhì)的軟流層。所以，在一定程度上，可以把地球看成是一個(gè)由固態(tài)巖石圈圍成的液體球。在第四紀冰川時(shí)期，歐洲斯堪的納維亞地區和加拿大哈得遜灣地區都存在過(guò)北極冰川。最近15000年以來(lái)，哈得遜地區抬升了大約300m，這一地區至今還保持著(zhù)每年上升2cm的速度。經(jīng)過(guò)計算，該區地面要恢復到冰期以前的原有高度，并重建地殼均衡狀態(tài)，還需要再上升80m。斯堪的納維亞地區，近萬(wàn)年來(lái)，其上升幅度達250m，至今仍以每年1cm的速度上升（陶世龍，1999；Stacey, 1992）。這說(shuō)明，地球這個(gè)由固態(tài)巖石圈圈閉而成的液體球，具有一定的塑性。冰川形成時(shí)，冰川下的地殼和冰川一道，在冰川巨大質(zhì)量的重力作用下會(huì )下沉。冰川消融時(shí)，由于這個(gè)巨大重力的消失，會(huì )反彈性上升。 冰川和地殼的這種下降作用，會(huì )造成火山噴發(fā)和地震。下面，我們以現有的南極冰蓋為例，來(lái)分析這種作用過(guò)程。 冰蓋未形成時(shí)，巖石圈和地幔處于流體靜力學(xué)平衡狀態(tài)（見(jiàn)圖1，a）。當南極冰蓋形成時(shí)，2.64×1019kg的海洋水轉移至南極，引起海退；海洋巖石圈上的重量將減少，南極大陸巖石圈上的重量將大大增加（見(jiàn)圖1，b）。在冰川形成時(shí)產(chǎn)生的巨大重力緩慢作用下，地球表現出明顯的塑性（劉本培和蔡運龍，2000）（見(jiàn)圖1，c-f），南極冰蓋下的地殼將大幅度下降（見(jiàn)圖1，c-f）。 地球是一個(gè)密閉流體球體，巖石圈就是這個(gè)密閉流體的容器。根據流體力學(xué)原理，密閉流體在外力的作用下，流體不會(huì )或幾乎不會(huì )被壓縮；根據巴斯噶原理：“施加壓強于密閉容器內的流體，此壓強無(wú)變化地傳到流體的各部分及容器的器壁”（趙景員和五淑賢，1981）。所以，當巨大質(zhì)量的冰川引起南極巖石圈下陷時(shí)，將產(chǎn)生巨大的壓強，流體地幔會(huì )把這個(gè)壓強傳至地幔的任何地方，并傳至垂直于地殼的任何方向，且壓強不變，方向向外（見(jiàn)圖1，b）。這樣，地球將在這個(gè)巨大作用力的作用下，向外膨脹（圖1，c-f）。
圖1. 南極冰川形成引起的造海過(guò)程. A，巖漿從洋中脊涌出；B，南極冰川；C，老巖石圈；D，軟流層；E，由洋中脊處涌出巖漿形成的新海洋巖石圈.“→”示火山噴發(fā) 因為地球可看成一個(gè)密閉流體容器，若巖石圈的某處不破裂，冰川及冰川下地殼就不會(huì )下陷。北極冰川地區現在反彈性上升的事實(shí)告訴我們，北極冰川形成時(shí)，的確曾下陷過(guò)。這說(shuō)明，北極冰川形成時(shí)，曾使地球膨脹而至地殼撕裂過(guò)?；蛘哒f(shuō)，冰川形成時(shí)產(chǎn)生的重力，足夠使地殼破裂。 地球向外膨脹時(shí)，地球表面積將增加；也就是說(shuō)，冰川形成的巨大作用力，在巖石圈的某處（最易破裂處，一般為洋中脊），將其撕裂，這就是地震。為了釋放壓力，巖漿將會(huì )從破裂處噴出，這就是火山噴發(fā)。大量巖漿從洋中脊排出，也會(huì )使海底擴張，產(chǎn)生造海運動(dòng)（圖1，d-f）。 因冰川的形成，是由于長(cháng)期的光合作用，使大氣中的CO2濃度過(guò)低，溫室效應過(guò)弱而造成的（Berner, 1997; Berner, 1993）。所以，火山噴發(fā)噴時(shí)，大氣或海洋中的CO2濃度，應是最低時(shí)。由于火山噴發(fā)和地震，將大量的CO2補充至大氣或海洋中。當火山噴發(fā)和地震釋放入海洋和大氣中的CO2大于植物光合作用消耗的量時(shí)，海洋和大氣中的CO2濃度停止下降，并開(kāi)始升高。這時(shí)，冰川形成停止，地球進(jìn)入冰期。 因這時(shí)大氣或海洋中的CO2，主要以火山噴發(fā)和地震等地球去氣作用產(chǎn)生的氣體為主；而地球去氣氣體的δ13C值相當低，為-7左右。大量的去氣氣體進(jìn)入大氣和海洋，會(huì )造成δ13C負漂移。最負值接近或等于-7，說(shuō)明這種CO2氣體，幾乎是由去氣氣體組成。在局部區域，若火山噴發(fā)時(shí)，造成了甲烷等天然氣水合物的氣化釋放的話(huà)，有可能加速δ13C值負漂移。但是，和火山噴發(fā)及地震釋放入大氣和海洋中的CO2相比，天然氣水合物釋放出的甲烷量畢竟有限，不會(huì )造成δ13C值負漂移過(guò)強。 2 冰川消融對火山噴發(fā)和地震的影響 冰川的消融作用，也一樣會(huì )造成火山噴發(fā)和地震。下面以北極冰川的消融為例，來(lái)分析這種作用。 當北極冰川消融時(shí)，情況剛好和冰川形成時(shí)相反。北極冰蓋消失，大量的水注入海洋，海洋水面將升高，海水重量增加。極地冰蓋消失，極地巖石圈將從原來(lái)的下降狀態(tài)升起，地球的內部壓力減少。地球將在以上兩種力的共同作用下收縮，造成巖石圈皺縮，最終形成地槽。海洋巖石圈比大陸殼薄，這種皺縮形成地槽的作用，主要發(fā)生在海洋。
圖2. 地槽形成和造陸過(guò)程. A，巖石殼；B，早期沉積物；C，負壓腔；D，后期沉積物；E，火山堆；F，類(lèi)花崗巖巖漿層；G，類(lèi)玄武巖巖漿層；H，玄武巖；“→”示火山噴發(fā). 具體演變過(guò)程如下： 地球收縮，對巖石圈產(chǎn)生水平擠壓，一旦巖石圈寬度超過(guò)其剛性范圍，海洋巖石圈將發(fā)生形變，要么隆起，要么下降（見(jiàn)圖2，a-b）。若隆起，就成為地背斜（海山）。若下降，就成為海盆（地向斜）（見(jiàn)圖2，b）。由于海洋巖石圈的密度比較大，再加上冰川消融后形成的海水增加，地球內壓下降，海洋巖石圈下降的面積將遠大于抬升的面積，也就是說(shuō)，海盆的面積遠大于地背斜的面積（見(jiàn)圖2，b）。 海盆一旦形成，將有沉積物在海盆里沉積（見(jiàn)圖2，b）。隨著(zhù)冰川不斷地消融，巖石圈嚴重收縮。海盆邊緣受到嚴重擠壓，因為海洋巖石圈剛性作用，海盆底部將不斷下陷（見(jiàn)圖2，b-c）。同時(shí)，海盆里沉積的上km的沉積物，也進(jìn)一步加劇了海盆的下陷（見(jiàn)圖2，b-c）。下降的海盆，將又會(huì )有大量的沉積物沉積（見(jiàn)圖2，c）。 海盆下降深度越來(lái)越深，盆口面積越來(lái)越小。海盆下陷到一定程度，就轉變?yōu)榈夭郏ㄒ?jiàn)圖2，c）。 地槽下降越深，槽底洋殼的彎曲度就越大，當彎曲度越過(guò)海洋巖石圈的承受力時(shí)，槽底斷裂產(chǎn)生地震（見(jiàn)圖2，d）。由于負壓的作用，將造成大量玄武巖火山噴出（見(jiàn)圖2，d-e）。 隨著(zhù)地槽的下陷，地背斜將被抬升。通過(guò)地背斜的抬升，來(lái)達到地槽和地背斜共同構成的浮力和重力平衡（見(jiàn)圖2，b-c）。 隨著(zhù)地背斜的抬生和地槽進(jìn)一步下陷，將加劇地槽底部巖石圈和地背斜巖石圈的彎曲。當其彎曲程度超過(guò)連接它們海洋巖石圈的承受度時(shí)，將發(fā)生斷裂。這就引起地震，引起地槽和地背斜的分離（見(jiàn)圖2，g）。 一旦地背斜和地槽分離，地槽因為失去兩側地背斜的牽扯，由于地幔的浮力而上升（見(jiàn)圖2，g-h）；地背斜將因為沒(méi)有地槽的支撐而下降，沖擊下面的巖漿而引起火山噴發(fā)（主要為中性或酸性巖漿的噴發(fā)）（見(jiàn)圖2，g-h）。同時(shí)，地背斜巖石圈較重，地槽巖石圈較輕（地槽里沉積巖的比重小于火成巖性質(zhì)的海洋巖石圈），地背斜和地槽巖石圈斷裂時(shí)，地背斜巖石圈將向地槽下插入，這樣，更進(jìn)一步造成地槽抬升，形成中央隆起（見(jiàn)圖2，g-h）。從而形成地背斜和地槽之間的重新組合，產(chǎn)生造山作用，形成山脈，地槽作用完成（見(jiàn)圖2，h）。 綜上所述（見(jiàn)圖2），在冰川消融引起的地槽的形成和演化過(guò)程中，會(huì )形成大量的火山噴發(fā)和地震。這樣，大氣中由地球去氣作用產(chǎn)生的CO2濃度，會(huì )因冰川的消融而進(jìn)一步升高，δ13C值進(jìn)一步負漂移。 受冰川形成和消融的共同作用，當去氣作用造成的δ13C負漂移作用，大于光合作用的分餾作用造成的正漂移作用時(shí)，就造成大氣或海洋中δ13C的負漂移，最終導致δ13C在冰期呈強負值。 隨著(zhù)大氣中CO2濃度的不斷升高，溫室效應越來(lái)越強，導致冰川快速消融。冰川的消融，大量的冰磧巖沉積。 由于pH=1/2(pK1+pK2-logCco2(T)/Cco32-(T))（郭錦寶，1997），當大氣中的CO2濃度升至最大值時(shí)，pH最低。低pH值造成大量硅酸鹽風(fēng)化，產(chǎn)生大量的鈣、鎂等金屬離子。 CO2濃度升高，溫室效應增強，溫度上升，綠色植物大量繁殖，生長(cháng)繁茂，光合作用越來(lái)越強。硅酸鹽風(fēng)化時(shí)，使硅酸鹽最終變成二氧化硅沉淀，吸收大量氫離子使海洋pH值上升；光合作用吸收大量CO2，形成大量的礦物有機物，使pH值上升。由于pH = 1/2(pK1 + pK2 - logCco2(T)/Cco32-(T))（郭錦寶，1997），隨著(zhù)pH值上升，Co32-濃度上升。 由于Ksp=αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T)（郭錦寶，1997），碳酸鹽巖的Ksp主要由金屬離子的濃度和Co32-的濃度決定。當海洋中這兩種離子的濃度都上升時(shí)，Ksp<αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T) ，將造成碳酸鹽巖沉淀。 這就是造成緊接冰磧巖上碳酸鹽巖大量沉積的原因。 以上已經(jīng)介紹了冰川的形成和消融能造成火山和地震，那么目前為止，到底有哪些相關(guān)證據能證明呢？且聽(tīng)下回分解。 未完，待續。 下回預告：地球科學(xué)原理之18 火山噴發(fā)和地震造成δ13C變化的證據 參考文獻： 郭錦寶. 化學(xué)海洋學(xué).廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社. 1997，80-398 劉本培，蔡運龍. 地球科學(xué)導論. 北京：高等教育出版社. 2000. 8-303 陶世龍. 地球科學(xué)概論. 北京: 地質(zhì)出版社, 1999, 12-100 趙景員，五淑賢. 力學(xué). 北京：人民教育出版社. 1981. 342-428 Berner R A. Paleozoic atmospheric CO2: Importance of solar radiation and plant evolution. Science, 1993, 261: 68-70 Berner R A. The rise of plants and their effect on weathering and atmospheric CO2. Science 1997, 276: 544-546 Clark D L, Wang C Y, Orth C J, et al. Conodont survival and low iridium abundance across the Permian-Triassic boundary in South China. Science， 1986, 233: 984-986 Eldholm O, Thomas E. Environmental impact of volcanic margin formation. Earth Planet. Sci. Lett., 1993, 117: 319-329 Jin Y G, Wang Y, Wang W, et al. Pattern of marine mass extinction near the Permian-Triassic boundary in South China. Science, 2000, 289: 432-436 Kennet J O, Stott L D. Abrupt deep-sea warming, paleoceanographic changes, and benthic extinctions at the end of the Paleocene. Nature, 1991, 353: 225-229 Renne P R, Zhang Z, Richards M A, et al. Synchrony and causal relations between Permian-Triassic boundary crises and Siberian flood volcanism. Science, 1995, 269: 1413-1416 Stacey F D. Physics of the Earth. Third Edition. Brisbane: Brookfiel Press, 1992. Zachos J C, Lohmann K C, Walker J C G, et al. Abrupt climate change and transient climates during the Paleogene: a marine perspective. J. Geol., 1993, 101: 191-213 Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387 Zhou L, Kyte F T. The Permian-Triassic boundary event: A geochemical study of three Chinese sections. Earth Planet Sci. Lett., 1988, 90: 411-421
（注：本“地球科學(xué)原理”系列，是根據廖永巖著(zhù)，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學(xué)原理》一書(shū)改編而來(lái)，轉載者請署明出處，請不要用于商業(yè)用途）
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