地球科学原理之十七 冰川对火山喷发和地震的影响

来源:百度文库 编辑:神马文学网 时间:2019/12/13 19:12:35
作者:廖永岩 编辑:探矿者
1 冰川形成对火山喷发和地震的影响
在冰川形成和消融过程中,的确有相应的火山形成,这已为大量的地质资料所证明(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喷发和地震?或者说,冰川形成和消融引发大规模火山喷发和地震的原因如何?这却很少有资料报道。
绿色植物的光合作用,导致CO2等温室气体的浓度降低,使大气温度下降。当两极及高山的温度下降至0℃以下时,极地及高山冰川形成(Berner, 1997; Berner, 1993)。
地球表面是由地壳和上地幔围成的固态岩石圈。岩石圈内,则为具有一定液态性质的软流层。所以,在一定程度上,可以把地球看成是一个由固态岩石圈围成的液体球。在第四纪冰川时期,欧洲斯堪的纳维亚地区和加拿大哈得逊湾地区都存在过北极冰川。最近15000年以来,哈得逊地区抬升了大约300m,这一地区至今还保持着每年上升2cm的速度。经过计算,该区地面要恢复到冰期以前的原有高度,并重建地壳均衡状态,还需要再上升80m。斯堪的纳维亚地区,近万年来,其上升幅度达250m,至今仍以每年1cm的速度上升(陶世龙,1999;Stacey, 1992)。这说明,地球这个由固态岩石圈圈闭而成的液体球,具有一定的塑性。冰川形成时,冰川下的地壳和冰川一道,在冰川巨大质量的重力作用下会下沉。冰川消融时,由于这个巨大重力的消失,会反弹性上升。
冰川和地壳的这种下降作用,会造成火山喷发和地震。下面,我们以现有的南极冰盖为例,来分析这种作用过程。
冰盖未形成时,岩石圈和地幔处于流体静力学平衡状态(见图1,a)。当南极冰盖形成时,2.64×1019kg的海洋水转移至南极,引起海退;海洋岩石圈上的重量将减少,南极大陆岩石圈上的重量将大大增加(见图1,b)。在冰川形成时产生的巨大重力缓慢作用下,地球表现出明显的塑性(刘本培和蔡运龙,2000)(见图1,c-f),南极冰盖下的地壳将大幅度下降(见图1,c-f)。
地球是一个密闭流体球体,岩石圈就是这个密闭流体的容器。根据流体力学原理,密闭流体在外力的作用下,流体不会或几乎不会被压缩;根据巴斯噶原理:“施加压强于密闭容器内的流体,此压强无变化地传到流体的各部分及容器的器壁”(赵景员和五淑贤,1981)。所以,当巨大质量的冰川引起南极岩石圈下陷时,将产生巨大的压强,流体地幔会把这个压强传至地幔的任何地方,并传至垂直于地壳的任何方向,且压强不变,方向向外(见图1,b)。这样,地球将在这个巨大作用力的作用下,向外膨胀(图1,c-f)。

图1. 南极冰川形成引起的造海过程.  A,岩浆从洋中脊涌出;B,南极冰川;C,老岩石圈;D,软流层;E,由洋中脊处涌出岩浆形成的新海洋岩石圈.“→”示火山喷发
因为地球可看成一个密闭流体容器,若岩石圈的某处不破裂,冰川及冰川下地壳就不会下陷。北极冰川地区现在反弹性上升的事实告诉我们,北极冰川形成时,的确曾下陷过。这说明,北极冰川形成时,曾使地球膨胀而至地壳撕裂过。或者说,冰川形成时产生的重力,足够使地壳破裂。
地球向外膨胀时,地球表面积将增加;也就是说,冰川形成的巨大作用力,在岩石圈的某处(最易破裂处,一般为洋中脊),将其撕裂,这就是地震。为了释放压力,岩浆将会从破裂处喷出,这就是火山喷发。大量岩浆从洋中脊排出,也会使海底扩张,产生造海运动(图1,d-f)。
因冰川的形成,是由于长期的光合作用,使大气中的CO2浓度过低,温室效应过弱而造成的(Berner, 1997; Berner, 1993)。所以,火山喷发喷时,大气或海洋中的CO2浓度,应是最低时。由于火山喷发和地震,将大量的CO2补充至大气或海洋中。当火山喷发和地震释放入海洋和大气中的CO2大于植物光合作用消耗的量时,海洋和大气中的CO2浓度停止下降,并开始升高。这时,冰川形成停止,地球进入冰期。
因这时大气或海洋中的CO2,主要以火山喷发和地震等地球去气作用产生的气体为主;而地球去气气体的δ13C值相当低,为-7左右。大量的去气气体进入大气和海洋,会造成δ13C负漂移。最负值接近或等于-7,说明这种CO2气体,几乎是由去气气体组成。在局部区域,若火山喷发时,造成了甲烷等天然气水合物的气化释放的话,有可能加速δ13C值负漂移。但是,和火山喷发及地震释放入大气和海洋中的CO2相比,天然气水合物释放出的甲烷量毕竟有限,不会造成δ13C值负漂移过强。
2  冰川消融对火山喷发和地震的影响
冰川的消融作用,也一样会造成火山喷发和地震。下面以北极冰川的消融为例,来分析这种作用。
当北极冰川消融时,情况刚好和冰川形成时相反。北极冰盖消失,大量的水注入海洋,海洋水面将升高,海水重量增加。极地冰盖消失,极地岩石圈将从原来的下降状态升起,地球的内部压力减少。地球将在以上两种力的共同作用下收缩,造成岩石圈皱缩,最终形成地槽。海洋岩石圈比大陆壳薄,这种皱缩形成地槽的作用,主要发生在海洋。

图2. 地槽形成和造陆过程. A,岩石壳;B,早期沉积物;C,负压腔;D,后期沉积物;E,火山堆;F,类花岗岩岩浆层;G,类玄武岩岩浆层;H,玄武岩;“→”示火山喷发.
具体演变过程如下:
地球收缩,对岩石圈产生水平挤压,一旦岩石圈宽度超过其刚性范围,海洋岩石圈将发生形变,要么隆起,要么下降(见图2,a-b)。若隆起,就成为地背斜(海山)。若下降,就成为海盆(地向斜)(见图2,b)。由于海洋岩石圈的密度比较大,再加上冰川消融后形成的海水增加,地球内压下降,海洋岩石圈下降的面积将远大于抬升的面积,也就是说,海盆的面积远大于地背斜的面积(见图2,b)。
海盆一旦形成,将有沉积物在海盆里沉积(见图2,b)。随着冰川不断地消融,岩石圈严重收缩。海盆边缘受到严重挤压,因为海洋岩石圈刚性作用,海盆底部将不断下陷(见图2,b-c)。同时,海盆里沉积的上km的沉积物,也进一步加剧了海盆的下陷(见图2,b-c)。下降的海盆,将又会有大量的沉积物沉积(见图2,c)。
海盆下降深度越来越深,盆口面积越来越小。海盆下陷到一定程度,就转变为地槽(见图2,c)。
地槽下降越深,槽底洋壳的弯曲度就越大,当弯曲度越过海洋岩石圈的承受力时,槽底断裂产生地震(见图2,d)。由于负压的作用,将造成大量玄武岩火山喷出(见图2,d-e)。
随着地槽的下陷,地背斜将被抬升。通过地背斜的抬升,来达到地槽和地背斜共同构成的浮力和重力平衡(见图2,b-c)。
随着地背斜的抬生和地槽进一步下陷,将加剧地槽底部岩石圈和地背斜岩石圈的弯曲。当其弯曲程度超过连接它们海洋岩石圈的承受度时,将发生断裂。这就引起地震,引起地槽和地背斜的分离(见图2,g)。
一旦地背斜和地槽分离,地槽因为失去两侧地背斜的牵扯,由于地幔的浮力而上升(见图2,g-h);地背斜将因为没有地槽的支撑而下降,冲击下面的岩浆而引起火山喷发(主要为中性或酸性岩浆的喷发)(见图2,g-h)。同时,地背斜岩石圈较重,地槽岩石圈较轻(地槽里沉积岩的比重小于火成岩性质的海洋岩石圈),地背斜和地槽岩石圈断裂时,地背斜岩石圈将向地槽下插入,这样,更进一步造成地槽抬升,形成中央隆起(见图2,g-h)。从而形成地背斜和地槽之间的重新组合,产生造山作用,形成山脉,地槽作用完成(见图2,h)。
综上所述(见图2),在冰川消融引起的地槽的形成和演化过程中,会形成大量的火山喷发和地震。这样,大气中由地球去气作用产生的CO2浓度,会因冰川的消融而进一步升高,δ13C值进一步负漂移。
受冰川形成和消融的共同作用,当去气作用造成的δ13C负漂移作用,大于光合作用的分馏作用造成的正漂移作用时,就造成大气或海洋中δ13C的负漂移,最终导致δ13C在冰期呈强负值。
随着大气中CO2浓度的不断升高,温室效应越来越强,导致冰川快速消融。冰川的消融,大量的冰碛岩沉积。
由于pH=1/2(pK1+pK2-logCco2(T)/Cco32-(T))(郭锦宝,1997),当大气中的CO2浓度升至最大值时,pH最低。低pH值造成大量硅酸盐风化,产生大量的钙、镁等金属离子。
CO2浓度升高,温室效应增强,温度上升,绿色植物大量繁殖,生长繁茂,光合作用越来越强。硅酸盐风化时,使硅酸盐最终变成二氧化硅沉淀,吸收大量氢离子使海洋pH值上升;光合作用吸收大量CO2,形成大量的矿物有机物,使pH值上升。由于pH = 1/2(pK1 + pK2 - logCco2(T)/Cco32-(T))(郭锦宝,1997),随着pH值上升,Co32-浓度上升。
由于Ksp=αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T)(郭锦宝,1997),碳酸盐岩的Ksp主要由金属离子的浓度和Co32-的浓度决定。当海洋中这两种离子的浓度都上升时,Ksp<αCa2+( Mg2+)(T)×αCO32-(T) ,将造成碳酸盐岩沉淀。 这就是造成紧接冰碛岩上碳酸盐岩大量沉积的原因。
以上已经介绍了冰川的形成和消融能造成火山和地震,那么目前为止,到底有哪些相关证据能证明呢?且听下回分解。
未完,待续。
下回预告:地球科学原理之18  火山喷发和地震造成δ13C变化的证据
参考文献:
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Zachos J C, Stott L D, Lohmann K C. Evolution of early Cenozoic temperatures. Paleoceanography, 1994, 9: 353-387
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(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(2007年5月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途)
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