冰川对火山喷发和地震的影响.docx

地球科学原理之17冰川对火山喷发和地震的影响广东海洋大学廖永岩（电子信箱：rock67831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°C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，2.64X 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.“一”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，曾使地球膨胀而全地壳撕裂过。 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补充全 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6 13C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6 13C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6 13C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6 13C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。fH BG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；£,火山堆；F, 类花岗岩岩浆层；G,类玄武岩岩浆层；H,玄武岩；“一”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，6 13C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6 13C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6 13C的负漂 移，最终导致6 13C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(pK+pK-logCco (T)/Cco2-(T)(郭锦宝，1997)，当大气中的-、一 . L-2一 2-3一. 一 、.一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。02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C02，形成大量的矿物有机物， 使 pH 值上升。由于 pH = 1/2(pKi+ pK2- logCco2(T)/Cco2-(T)(郭锦宝，1997)， 随着pH值上升，Co32-浓度上升：223由于 Ksp=a Ca2+( Mg2+)(T)Xa CO32-(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<a Ca2+( Mg2+)(T)xa CO 2-(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。