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到底是1种什么的留存,人类未解之谜

发布时间:2019-05-04 10:13编辑:www.599588.com浏览(91)

    随着中国科研实力的蒸蒸日上,中华文化元素得以出现在越来越多的前沿科学领域。太空轨道上游弋着“天宫”与“神舟”,静谧月海矗立着“太微”与“广寒”。不过,除了“远而无所至极”的苍天,我们还有“纵横亘二洲,浪淘天地入东流”的大洋。蛟龙戏水,潜龙骋跃,蓝海的深处,我们泱泱华夏之声照样不会缺席。

      

      

    去年年末最新消息,在中国大洋协会的主导下,位于太平洋、大西洋和印度洋的多个国际海底地理实体以中国名字命名,至今共计达163个。根据国际间水道测量组织和政府间海洋学委员会联合出版的《海底地名命名标准》,所谓的“海底地理实体”,是指“洋底或海床的一部分,其地势起伏轮廓鲜明可测或范围明确”。在这些被冠以璀璨名称的地理实体里,有西太平洋麦哲伦海山区的“鹿鸣”、“采薇”;有印度洋海域的“天休”、“卧蚕”和“大糦”热液活动区;甚至连名声如雷贯耳的大诗人李白、苏轼,也同样在海底世界有着自己的一席之地。

      地球有71%的表面是海洋,辽阔的海洋与人类活动息息相关;海洋是水循环的起始点,又是归宿点,它对于调节气候有巨大的作用;海洋为人类提供了丰富的生物、矿产资源和廉价的运输,是人类的一个巨大的能源宝库。随着科技的进步,人类对海洋的了解正日益深入,但神秘的海洋总以其博大幽深,吸引着人们对它的思索。在此,仅就海底地貌及其地质活动,谈谈几个未解之谜。

      地球有71%的表面是海洋,辽阔的海洋与人类活动息息相关;海洋是水循环的起始点,又是归宿点,它对于调节气候有巨大的作用;海洋为人类提供了丰富的生物、矿产资源和廉价的运输,是人类的一个巨大的能源宝库。随着科技的进步,人类对海洋的了解正日益深入,但神秘的海洋总以其博大幽深,吸引着人们对它的思索。在此,仅就海底地貌及其地质活动,谈谈几个未解之谜。

    图片 1海底的“三苏”,它们位于北纬8度12.62分、西经146度38.70分。图片来源:中国大洋矿产资源研究开发协会,www.comra.org

      太平洋洋脊偏侧之谜从全球海底地貌图中可以看到,海底地貌最显著的特点是连绵不断的洋脊纵横贯通四大洋。根据海底扩张假说,洋脊两侧的扩张应是平衡的,大洋洋脊应位于大洋中央,但太平洋洋脊亦不在太平洋中央,而偏侧于太平洋的东南部,并在加利福尼亚半岛伸入了北美大陆西侧。显然,从加利福尼亚半岛至阿拉斯加这一段的火山、地震、山系等,难以用海底扩张假说解释其成因。那么,太平洋洋脊为什么偏侧一方?北美西部沿岸的山系、火山、地震等又是怎样形成的?这是有待进一步探索的问题。

      太平洋洋脊偏侧之谜从全球海底地貌图中可以看到,海底地貌最显著的特点是连绵不断的洋脊纵横贯通四大洋。根据海底扩张假说,洋脊两侧的扩张应是平衡的,大洋洋脊应位于大洋中央,但太平洋洋脊亦不在太平洋中央,而偏侧于太平洋的东南部,并在加利福尼亚半岛伸入了北美大陆西侧。显然,从加利福尼亚半岛至阿拉斯加这一段的火山、地震、山系等,难以用海底扩张假说解释其成因。那么,太平洋洋脊为什么偏侧一方?北美西部沿岸的山系、火山、地震等又是怎样形成的?这是有待进一步探索的问题。

    2017年的开端可谓一片红火。但是作为死理性派,我们在听闻振奋人心的喜讯之余,自然还想了解这些中国风的名字背后,到底是什么样的存在。古人说得好,“知其然”也要“知其所以然”嘛。本文就带大家一起走进新闻背后,通过一场酣畅淋漓的洋底漫游,来了解这些大海之下的中国元素,都是些什么样的自然造物。

      西太平洋洋底地貌复杂之谜由于太平洋洋脊偏侧于东南方,在太平洋东部形成了扩张性的海底地壳:东太平洋海隆。但在太平洋中西部广阔的洋底,地貌复杂,存在着一系列的岛弧、海沟、洋底火山山脉和被洋底山脉、岛弧分隔成的较小的洋盆等,看来并不完全像是由海底扩张所产生的洋底地貌,而更像是古泛大洋洋底的一部分。因为海底扩张所形成的地貌,除了海沟、岛弧、沿岸山脉外,大部分应是较为平坦的、从洋脊到海沟一定倾斜的海隆地貌。虽然有人试图对此作出解释,但未有较公认、一致的看法。

      西太平洋洋底地貌复杂之谜由于太平洋洋脊偏侧于东南方,在太平洋东部形成了扩张性的海底地壳:东太平洋海隆。但在太平洋中西部广阔的洋底,地貌复杂,存在着一系列的岛弧、海沟、洋底火山山脉和被洋底山脉、岛弧分隔成的较小的洋盆等,看来并不完全像是由海底扩张所产生的洋底地貌,而更像是古泛大洋洋底的一部分。因为海底扩张所形成的地貌,除了海沟、岛弧、沿岸山脉外,大部分应是较为平坦的、从洋脊到海沟一定倾斜的海隆地貌。虽然有人试图对此作出解释,但未有较公认、一致的看法。

    认识真正的大洋地壳

    我要说的“洋底”是真正的“洋底”,并不是你经常在电视或图片上看到的,那种倒映着粼粼波光、有鱼群在珊瑚间游弋的场面。多数时候,这样的“海底”归根结底还是“陆地”的一部分,是大陆被海水淹没之处所具有的景象。礁滩一般很浅,阳光可以充分投射、水温温暖,所以才有种类丰富的生物在此生存。这些地方人们一般不会叫它们大洋,它们有专门的名字比如“陆架”或者“陆表海”。

    不都是水体么,为什么在名词上锱铢必较呢?那是因为在自然科学里,陆(Continental)和洋(Oceanic)其实是两类完全不同的地质实体。它们成分不同、物理性质不同、厚度不同,甚至连寿命也完全不同。是的,我们要接受这么一个科学事实:整个地球表面,实际上镶嵌着两种从头到尾截然相异的地壳类型。就跟一个房间的地面上,同时铺着石材和木地板一样。

    构成大陆的是陆壳,一般也称之为硅铝地壳,顾名思义,它富含Si、Al而相对缺Mg和Fe;被海水淹没的洋壳呢,一般称为镁铁地壳,毋庸多言,以Mg和Fe的富集为特征。由于硅铝质矿物(长石、石英)一般轻于镁铁质矿物(橄榄石、辉石、角闪石),陆壳一旦形成,很不容易回到地球内部。因此,大陆可谓是这颗星球上真正的“亿万年不沉之方舟”。最古老的陆壳(加拿大Acasta片麻岩区)寿命甚至有40亿年之久,是太古岩石圈残留至今的遗迹。之后每个时代所形成的新生陆壳,最终都会在板块构造的作用下,贴合到陆核——也就是几十亿年前最初的原生大陆周围,导致大陆地壳随时间变得越来越厚,也就越来越不容易被带回地幔。

    图片 2地球的剖面示意图,陆壳(Continentalcrust)和洋壳(Oceaniccrust)是两种截然不同的存在,共同漂浮在地幔(Mantle)之上。陆壳要远远厚于覆盖着海洋的洋壳。图片来源: www.pasqualerobustini.com

    而大洋地壳呢?它是活的,是“苟日新,日日新,又日新”的。地球上现存最古老的洋壳残片,年龄也只有区区三百万年左右,总之,跟陆壳的40亿年相比,洋壳简直“太年轻”了!比1亿年更老的洋壳呢?早已被“传送带”送进地幔回炉重造啦。这个“传送带”是这样的:沿着大洋中脊(M.O.R,Mid-OceanRidge)——也就是横贯大洋中部的线状喷发口——新鲜的岩浆从地幔对流中不断输出,同时,对流环沿着大洋中脊向两侧缓缓滚动,洋壳就被一点点地被传送出去,送到靠近板块边缘的地方,然后沿着海沟(Trench)回到地球内部,重新融化成地幔,形成一个完整的轮回。

    陆壳长期增生使得它越来越厚,平均厚度可以达到20-30km;而洋壳只是一层薄薄的传送带,平均厚度尚不到10km。在地壳均衡原理(浮力作用原理的一个地学推论,简单说就是一个漂浮物体的厚度越大,它在地下的深度和地表的高度也就越大)的作用下,厚度大、比重小的陆壳,可以塑造出比洋壳高耸得多的正地形。因此,海水深度不同只是洋陆差异的表象,厚度薄、比重大的洋壳要率先被海水淹没。而全球的海水都淹不到的地方,则是那一坨坨高耸的大陆。

      北冰洋的海底扩张是否仍在继续北冰洋是四大洋中最小的,又存在广阔的大陆架,有人把它看成是大西洋的一部分,即大西洋北部的一个巨大的“地中海”。虽然北冰洋也存在大洋中脊:北冰洋中脊(南森海岭),但在整个北冰洋地区,火山、地震活动是很微弱的。本人曾作过统计:从1900~1980年间,北纬70°以北只发生了40次6级以上的地震,一般认为是北极厚厚的冰盖阻止了地震的发生,本人认为至少还有一个原因不能忽视,地球自转产生的偏向赤道的离心力会使地球内部的能量向中、低纬度转移,从而削弱了两极地区的活动。而在南纬70°以南的地区,从1900~1980年也只记录到一次6级以上的地震。一般地说,任何快速自转的天体,其两极地区的活动均会受到削弱,太阳黑子活动主要发生在南北纬35°之间,亦可能与其快速自转有关。地球作为一个快速自转的天体,北冰洋的地震和海底扩张活动就不能不受到影响,从其地震、面积、无深海沟等情况判断,北冰洋的海底扩张即使没有停止,也是非常微弱的。

      北冰洋的海底扩张是否仍在继续北冰洋是四大洋中最小的,又存在广阔的大陆架,有人把它看成是大西洋的一部分,即大西洋北部的一个巨大的“地中海”。虽然北冰洋也存在大洋中脊:北冰洋中脊(南森海岭),但在整个北冰洋地区,火山、地震活动是很微弱的。本人曾作过统计:从1900~1980年间,北纬70°以北只发生了40次6级以上的地震,一般认为是北极厚厚的冰盖阻止了地震的发生,本人认为至少还有一个原因不能忽视,地球自转产生的偏向赤道的离心力会使地球内部的能量向中、低纬度转移,从而削弱了两极地区的活动。而在南纬70°以南的地区,从1900~1980年也只记录到一次6级以上的地震。一般地说,任何快速自转的天体,其两极地区的活动均会受到削弱,太阳黑子活动主要发生在南北纬35°之间,亦可能与其快速自转有关。地球作为一个快速自转的天体,北冰洋的地震和海底扩张活动就不能不受到影响,从其地震、面积、无深海沟等情况判断,北冰洋的海底扩张即使没有停止,也是非常微弱的。

    洋底地貌的作俑者——地幔柱

    上述那一切,基本都是板块运动所描绘的图景。但如果仅靠板块运动,洋壳上却断然不会出现丰富多彩的地貌类型。为什么呢?板块构造理论里有一条重要的假设:将板块视为刚体,地壳的应力作用于板块边缘。理想刚体内部是不受力的(显然真实情况并非如此),没有内部作用力,自然也就没有内部地壳活动;而没有内部地壳活动,又怎么会凭空出现丰富多彩的内部地貌类型呢?

    但是,真实的情况是:软流圈对流其实很复杂,它的“核心产品线”上不止有板块构造这么一个“明星产品”。与之共存的,还有另一个重量级产物,那便是地幔柱运动(Mantle Plume Activity)。

    地幔柱运动和板块构造在大地动力学上的地位,基本上是对等的。前者是大洋中脊处岩浆上涌的拉张力,和远离洋中脊处已经冷却掉的洋壳向下的拖曳力,合力作用的结果,其所表现出的样式是传送带式水平运动;而后者呢,是地幔深处向上涌起的热流所诱发的垂向运动。两者分别构成大地构造运动的X轴和Y轴,在表象上互不干涉。所以地幔柱根本无视你地球表层浮着的是什么板块,是板块中央还是板块边界,无论是啥,只要敢漂到地幔柱头部,后果只有一个,那就是——等着接受无差别的摧残吧。

    这摧残有轻有重,具体得看地幔柱自己的规模:轻者则给你“顶个包”——也就是所谓的“板内地壳隆起”(Intraplate Crustal Uplift)——然后发育些地堑呀裂谷呀之类的东西;重则直接把你整个大陆撕裂,管你什么“亿万年的方舟”呢。撕了!然后在口子里给你活生生开辟个新的大洋!而且,地幔柱在撕大陆时,还能顺道搞些“微不足道的小事情”,比如生物大灭绝什么的,但这就是另外的话题了。

    地幔柱的威能如此之大,恰恰是它这种垂向运动的习性,为大洋板块塑造了丰富的地貌。大洋板块一般比大陆板块大得多(你们人类引以为豪的欧亚大陆,还不是由无数小板块拼贴的结果么?人家大洋板块可不是呀),俗话说“树大招风”,大洋板块像毯子一样覆盖在地球表面,难免要遭到地幔柱的影响。

      阿留申岛弧之谜阿留申岛弧是地震频繁的地区之一,令人感兴趣的是:阿留申岛弧向南弯曲,这种形状似乎显示有一种自北向南的力推动形成的,如史前冰川的推动等,另外,阿留申岛孤南侧的深海沟表明,太平洋的海底扩张对其它的作用是向北推进的,但从太平洋洋脊位置来看,太平洋洋脊伸入到北美大陆,南北向偏东分布,其扩张方向应是向西偏北,而不应向北,那么,阿留申海沟是如何形成的呢?

      阿留申岛弧之谜阿留申岛弧是地震频繁的地区之一,令人感兴趣的是:阿留申岛弧向南弯曲,这种形状似乎显示有一种自北向南的力推动形成的,如史前冰川的推动等,另外,阿留申岛孤南侧的深海沟表明,太平洋的海底扩张对其它的作用是向北推进的,但从太平洋洋脊位置来看,太平洋洋脊伸入到北美大陆,南北向偏东分布,其扩张方向应是向西偏北,而不应向北,那么,阿留申海沟是如何形成的呢?

    丰富多彩的海底地貌

    地幔柱影响的原理可以这样比喻:它在垂直方向上不断拱顶,而板块在水平方向上不断漂移,整个过程就跟物理课上玩的打点计时器一样。一般来说,条带(板块)上的第一个点,是地幔柱头部敲下的,也是用力最狠的一“点”。地幔柱的形状如同蘑菇云,“蘑菇头”里蕴含着大量的岩浆。当它捅破地表时,大量岩浆在极短时间喷溢出来,一股脑堆在地表,形成高耸的玄武岩高原,这就是“大火成岩省”。全球大火成岩省里,最令我们熟悉的可能是“山月半轮秋”的西蜀峨眉——毕竟,她是我国唯一获得国际科学界公认的大火成岩省实体。然而,峨眉山玄武岩毕竟是陆地大火成岩省的代表。在海底,岩浆的“威能”演绎出来的,是另一个完全不同的故事。

    在海底,大火成岩省的主要表现形式是洋底高原(Oceanic Plateau),这是大洋板块内部规模最大的地貌实体。今日地球上体积最大的大火成岩省,便是坐落在西太平洋的翁通爪哇洋底高原(OJP, Ontong-Java Plateau)。它的山根深嵌在洋壳之下(还是地壳均衡原理哦),而它高耸的顶部呢,则足以露出大洋的表面,撑起一个个小小的玄武岩列岛,为陆地生命的生存繁衍,提供赖以立足的绿洲。

    “蘑菇头”终归会喷完,后续又长又细的“小尾巴”(见下图)才是“洋底盛宴”的主菜:这个持续上涌的“小尾巴”,会在大火成岩省漂走之后,在板块的后续部分拖出一系列“小动作”。小尾巴的能量显然没有开陆成海、构筑高原的地幔柱头部那么厉害,它们只能在地表形成一个个小小的“热点”(Hotspot)——不是你用来连WiFi的接口——而是温度较高的点。热点作为打点计时器的主菜,在板块这张纸条上打出一个又一个小火山。这些小火山的命名方式也是很有讲究的,如果它没能浮出水面,我们一般称它为海山(Seamount);而一旦浮出水面,它就有资格被叫做洋岛(Oceanic Island)了。

    图片 3地球规模的“打点计时器”。图片来源:www.colorado.edu/geography/

    随着板块持续运动,洋岛或海山也会逐渐漂离热点,从岩浆活动活跃的状态,一点点沉寂下去。内动力一但开始沉寂,地貌就会随之被剥蚀作用所主导。持续的剥蚀让它们很快失去引以为傲的尖峰,一个个成为“谢顶”的样子。它们就是我们常说的平顶海山(Guyot)。显然,无论洋岛、海山还是平顶海山,都是在热点的作用下形成的一种点状地貌。如果热点处的岩浆活动异常活跃,还能从“打点”直接变成“拖线”。热点将在板块上持续擦出一条连续的线状山脉。此时,形成的便是无震海岭(Aseismic Ridge)了。

    图片 4海底平顶山的真实地球物理显示。图片来源:作者供图。

      无震海岭与大陆平静山系的形成一般认为大洋中脊是大洋地壳的诞生处,大陆边缘的山脉是海底扩张运动的结果,它们的成因可得到较完美的解释。但在各大洋中,还存在着许多无震海岭,它们与大陆内部的一些平静、古老的山系一样,仍未得到较为公认的解释。美国有人提出所谓“热点说”,试图解释无震海岭的形成,他们认为热点处火山活动的源地固定于板块之下的地慢深处,当板块移过热点上面时,随着热点处岩浆不断喷发形成火山,就可以形成一列沿着板块运动方向的火山脊或火山链,即无震海岭。

      无震海岭与大陆平静山系的形成一般认为大洋中脊是大洋地壳的诞生处,大陆边缘的山脉是海底扩张运动的结果,它们的成因可得到较完美的解释。但在各大洋中,还存在着许多无震海岭,它们与大陆内部的一些平静、古老的山系一样,仍未得到较为公认的解释。美国有人提出所谓“热点说”,试图解释无震海岭的形成,他们认为热点处火山活动的源地固定于板块之下的地慢深处,当板块移过热点上面时,随着热点处岩浆不断喷发形成火山,就可以形成一列沿着板块运动方向的火山脊或火山链,即无震海岭。

    永恒的海底两万里

    大洋的主要地貌类型不外乎这些。了解了各自的成因机制之后,我们的大洋之旅也告一段落。至此,再回到开头的新闻故事里,想必大家已经不会对那些“拗口”的专属名字感到陌生了。

    曾经,它们是地幔柱所孕育的洋底娇子,在平坦单调的大洋板块上,写下一个个起伏涨落的章节。构造运动为冰冷的大洋底部带来活力,汩汩的岩浆为阴暗的深渊带来温暖;热液活动创造了生机与可能性,而这份可能性则呼应着亿万年前生命创始时的环境。

    然而传送带不会停歇。这些海底的地理精灵们终归要离开它们的襁褓,在持续不断的板块漂移中,远离孕育它们的热点,一点点稳定下来,一点点刻上岁月的痕迹。洋壳毕竟不是巍巍不灭之大陆,它的尽头是海沟,多样的海底地貌,注定要在大地演化的悠悠纪年中,重回地下,回到地幔中,回到一次次轮回开始的地方。

    然而,在孕育与消亡的自然轮回中,这些有幸跟人类共存于一个时代的个体们,却用另一种方式拥抱了永恒。智慧物种造访了它们,它们从洋壳上一个个默默无闻的地貌,变成了珍贵的大洋勘探数据。数据凝华为理论,最终再以理论的名义,接近万物之理的真相——而那,正是这个宇宙中真正永恒的东西。拥抱永恒的这个过程,我们称之为科学。

    在这些默默无闻的洋底精灵们被认识、被记录、被铭记的过程中,它们与华夏文明的文化符号联姻。这些深埋在洋底的多彩世界,首次有了“名字”。每一个名字背后皆是优雅的典故,而典故的背后则是这个文明五千年波澜壮阔的史诗。

    有心人肯定会发现:今日中国科研飞跃进展的过程本身,不同样也是这宏大史诗的一个篇章么?这是二十一世纪华夏民族的故事。这是一个在科学的时代,我们乘风破浪,创造功业的故事。(编辑:红色皇后)

      南北半球地震不均衡本人曾对南北半球发生在1900年至1980年间6级及6级以上共7936次的地震作过统计,结果发现南北半球发生地震的次数是不均衡的:北半球共发生了4634次,南半球只发生了3277次,赤道发生了25次,北半球比南半球多四成以上。纵观世界火山、温泉分布图,亦可发现,北半球要比南半球多,这是什么原因?由于南北半球海陆分布的不均衡特征,很容易使人联想到,海陆分布情况可能影响到地球内能的释放。我们知道,温泉、火山、地震都是地球释放内能的方式,来自地热流的研究给我们这样的启示:地热流是地球内能释放的最基本的形式,地球的内能通过地热流连续不断地经由地壳释放出来,地壳是地球内能释放的最主要障碍,由地壳均衡假说可知,大陆地壳远厚于大洋地壳,又据有关资料显示,大陆地壳的平均厚度为35千米,海洋地壳厚度仅为6千米。不难想象,地球的内能通过大陆地壳要比通过海洋地壳困难得多。由于北半球大陆板块面积比南半球要大,而南半球的大洋板块面积比北半球的要大,因此,北半球的内能更多地受阻于大陆板块,通过地热流释放出来的内能就要比南半球少一些,这些受阻的内能在大陆板块下面积聚,并在地球自转的作用下向中低纬转移,当这些能量积聚到一定的程度,就可能冲破地壳,在一些地壳较薄弱的地带(如板块边缘)以火山、地震等形式释放出来。在一个较长的时期内,南北半球各自释放的总内能应趋于均衡,即北半球通过地热流、温泉、火山、地震等形式释放出来的内能近似等于南半球通过地热流、温泉、火山、地震等形式释放出来的内能。由于北半球通过地热流释放的内能要比南半球少,其累积的能量就通过火山、地震、地热活动释放出来。这就是北半球为什么比南半球多火山、地震的原因。我把这个推论称为南北半球内能释放均衡假说。

      南北半球地震不均衡本人曾对南北半球发生在1900年至1980年间6级及6级以上共7936次的地震作过统计,结果发现南北半球发生地震的次数是不均衡的:北半球共发生了4634次,南半球只发生了3277次,赤道发生了25次,北半球比南半球多四成以上。纵观世界火山、温泉分布图,亦可发现,北半球要比南半球多,这是什么原因?由于南北半球海陆分布的不均衡特征,很容易使人联想到,海陆分布情况可能影响到地球内能的释放。我们知道,温泉、火山、地震都是地球释放内能的方式,来自地热流的研究给我们这样的启示:地热流是地球内能释放的最基本的形式,地球的内能通过地热流连续不断地经由地壳释放出来,地壳是地球内能释放的最主要障碍,由地壳均衡假说可知,大陆地壳远厚于大洋地壳,又据有关资料显示,大陆地壳的平均厚度为35千米,海洋地壳厚度仅为6千米。不难想象,地球的内能通过大陆地壳要比通过海洋地壳困难得多。由于北半球大陆板块面积比南半球要大,而南半球的大洋板块面积比北半球的要大,因此,北半球的内能更多地受阻于大陆板块,通过地热流释放出来的内能就要比南半球少一些,这些受阻的内能在大陆板块下面积聚,并在地球自转的作用下向中低纬转移,当这些能量积聚到一定的程度,就可能冲破地壳,在一些地壳较薄弱的地带(如板块边缘)以火山、地震等形式释放出来。在一个较长的时期内,南北半球各自释放的总内能应趋于均衡,即北半球通过地热流、温泉、火山、地震等形式释放出来的内能近似等于南半球通过地热流、温泉、火山、地震等形式释放出来的内能。由于北半球通过地热流释放的内能要比南半球少,其累积的能量就通过火山、地震、地热活动释放出来。这就是北半球为什么比南半球多火山、地震的原因。我把这个推论称为南北半球内能释放均衡假说。

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