The Effect of the Impact of a Celestial Body with the Earth on the Plate Structure of the Crust
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摘要: 板块构造是一种全球大地构造理论.它以洋底扩张、洋壳边缘俯冲及转换断层为主要构造活动形式, 配以地幔对流为原动力, 建立一套颇具魅力的板块构造机制理论, 被受到广泛认同.但也存在一些重要问题, 主要是其地幔对流理念难以令人信服和对海陆格局变迁问题没提出明确的动力机制.在阐明造成板块构造理论这两方面困难问题的主要理由之后, 介绍了星地碰撞事件的存在状况及其动力作用, 着重论述了大规模星地碰撞的动力作用强大, 对全球地质构造活动都有重要影响, 板块构造也难以避免; 星地碰撞的强烈冲击作用, 有能力造成洋底开裂或使大陆裂解.据此设想, 可用“星地撞击成缝, 减压诱发岩浆上侵”的模式, 取代与地球内部层圈结构相抵触的“地幔对流”模式来解释洋底扩张; 并以星地碰撞发生地点的随机变化性作为大规模海陆格局变迁的主控原因.如此, 则可有助于上述板块构造理论中存在的两大难题的解决.Abstract: Plate tectonics is a global structure theory.It takes the sea-floor spreading, oceanic crust subduction, and transform fault as main active forms and mantle convection as an original dynamic.Despite the fact that plate tectonic theory has been established with a popular acceptance, there are some important problems expecting to be resolved.The mainly reason is that its conception of mantle convection is not very convincing enough and it fails to explain the dynamic mechanism of sea-land shift.After the illustration of the chief reasons causing these difficult problems on the plate tectonic theory, the instance and dynamic action of collision of a celestial body with the earth is introduced in the paper.It is emphasized that large-scale collision plays such an important part in the global tectonic activity that the plate tectonics is no exception also and the intensive impact of a celestial body with the Earth is able to cause the crack of sea-floor or continent.So we can use the pattern of the crack caused by the collision of a celestial body with the Earth induces the uprising of magma by the subtraction of pressure (might simply be named "Impacted crack induce magma uprising pattern") to supplant the pattern of mantle convection which is featured with collision with the layer texture in Earth interior in order to explain the sea-floor spreading, and take the random variability of the spot of the collision as the main reason of large-scale sea-land shift.Thus it could be useful to solve the two main problems of the plate tectonic theory mentioned above.
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1. 板块构造的基本状况及存在的主要问题
1.1 板块构造的基本状况
板块构造是一种全球大地构造体系理念.它以全球强烈地震活动带及大洋中脊海岭为边界, 将全球地壳分为七大板块活动单元, 以地幔对流为原动力, 以洋底扩张、洋壳俯冲及转换断层为主要构造活动形式, 来概括论述全球地质构造运动(傅承义, 1972; 上田诚也, 1973; 竹内均等, 1978; 许志琴等, 2003; 陈琦和刘永祥, 2004; 鄢全树和石学法, 2006.图 1, 2).
图 1 全球板块构造分区图(转引自上田诚也, 1973)1.扩张轴, 大洋裂谷; 2.洋壳俯冲到大陆架之下; 3.几种类型的断裂带; 4.大陆裂谷; 5.洋壳俯冲到科迪勒拉山系之下; 6.洋壳俯冲到洋壳之下; 7.大陆-大陆碰撞Fig. 1. Distribution of global plate tectonics
Fig. 2. Schematic section of mantle convection and sea-floor spreading由于其立论有较丰富的海洋地形、地质调查及古地磁资料为依据, 板块构造单元划分和构造活动论述基本上符合全球地质构造的总体格局, 故受到地质界的广泛接受, 被誉为地球科学史上的一次革命(许靖华, 1985).几十年来, 其学说风靡全球, 众多地质构造调查研究工作都热衷于为其寻找新证据, 并将所获成果与其对号入座, 而很少去考虑其研究欠妥之处.实际上, 它还存在一些重大问题, 有待认真研究解决.
1.2 板块构造(理论)存在的主要问题
1.2.1 洋底扩张的地幔对流成因难以确信
洋底扩张的事实不容怀疑.但将洋底扩张的动力成因锁定为地幔对流则有很大困难.它首先就与地球内部的分层结构相矛盾.根据多年全球地球物理勘探成果资料, 反映在不同深度上, 地内物体有若干个全球连续性的物性(主要是波速反映的密度) 差异分界面.据之, 对地球内部进行了层圈结构划分(陈琦和刘永祥, 2004.图 3), 分出了地壳、地幔、地核三大层及其各自内部的次级小层.地幔被分为上下两部, 上地幔内又分出“软流层”夹层.这些明显的水平方向物性差异分界面, 足以否定垂直穿越层圈界线的大规模地幔对流(图 2a) 的存在可能性.热对流如果有的话也只能在各自层圈之内进行.否则, 就会难以找到相邻层圈之间的物性差异界限.软流层具有最容易发生流动的物性, 而且直接位于岩石圈之下, 所以它是真正可能发生热对流活动的层圈场所, 但又有另外的困难.
图 3 地球内部层圈结构划分图(a)、地球内部圈层的波速和密度图(b)和地球内部圈层物理数据统计(c)Fig. 3. Distribution of layers in earth interior (a); Map of wave velocity and density of layers in earth interior (b); Statistics of physical data of layers in earth interior (c)根据贝纳尔的实验研究(上田诚也, 1973), 在对流层中, 对流介质常呈众多的对流涡体密集并列分布.每个对流涡体的直径与对流层的厚度趋于相等.且其内部的对流活动是由中心向上, 至顶部朝四周分流转由边部向下, 并无特定的集中分流方向.软流层的厚度约为300 km, 其中的对流涡体直径也不会大于此数.以此种规模的对流涡体单个分流, 想在顶部将地壳拉开形成长达数千乃至上万km的大洋中脊裂缝显然是不可能的.只有将几十个涡体集中排成一条线, 然后同步进行同方向的分流, 才有此种可能性.但那种条件机遇极小.有人想用软流层中的宽大扁饼状对流涡体来完成这个任务(图 2b), 那纯属超常规想象, 也与贝纳尔的实验结果相违背.至于有些人提出的局部穿越地幔层圈的筒状或树枝状“地幔柱”对流活动(图 2c), 其规模可能会造成一些“热点”, 但不足以对整个海洋的形成有太大帮助.所以, 板块构造的地幔对流造成洋底开裂的机制论点是难以确信的.
有人曾经提出, 如果将洋底裂缝的生成与其下面软流岩体上升活动的时间先后顺序加以变更, 即先有其他动力造成的洋底裂缝, 由于顶部压力释放降低, 下面软流层岩浆沿着裂缝集中上侵, 造成大洋中脊及洋底扩张, 可能更易于说明大洋板块的形成.这样一来, 就避开了地幔对流的解释困难.想法简单明了, 有其优越性.但由于没能给出能造成全球规模洋底裂缝的动力来源, 等于用一个新难题推开了一个老难题, 故未受到太大重视.
1.2.2 板块构造学说没能给出海(洋与大) 陆变迁的明白机制
板块构造学说对大洋的形成与消亡给出一个分6个发展阶段的“威尔逊旋回”理论(陈琦和刘永祥, 2004), 用来说明海洋与大陆的分合变迁.即从大陆裂谷的出现, 经过初生海洋、成熟大洋、收缩大洋、狭窄洋盆, 最后变成地缝合线.整个过程都是以大洋中脊裂缝不断扩张, 洋壳边缘不断向陆壳下面俯冲完成的.始之于陆, 再还之于陆.看似逻辑严谨, 实则问题颇多.首先, 大洋地壳向大陆地壳下面的不断俯冲是以大洋中脊的不断扩大作为推力支撑的.俯冲的速度绝不会大于洋底扩张的速度.所以, 大洋地壳绝不会由于洋壳向大陆俯冲而消亡.其次, 这种海陆变迁机制, 全以大洋地壳的活动为主导, 根本没考虑大陆地壳方面受其他动力驱使的自身能动性, 所以是不全面的.再者, 按现在的地幔对流机制来看, 只有当对流发生位置重大变化, 地球上的海陆演化格局才会有所改变.但地幔对流论者也未提出能够大规模改变陆、洋分布格局(产生新的裂谷系统) 的地幔对流变化模式与原因以适应地质历史上比较常见的海陆变迁.
2. 星地碰撞的板块构造效应
2.1 星地碰撞事件的存在状况
宇宙星体之间的相互碰撞和外来星体对地球的碰撞是常有的事(Kulikovski, 1954).1994年发生的苏梅克——利维9彗星撞击木星的壮观景象就是现代星体碰撞的一个典型事例.每天都有很多流星飞向地球, 它们一般都在大气层中燃烧殆尽, 少数残体坠地成为陨石.地面上现存的最大陨石个体重达60 t.较大的陨石撞击地面形成陨石坑, 全球各大洲, 迄今已发现并证实登记在案的陨石坑有174个(Sprqy, 2006).直径从10 m至300 km不等.形成年龄最老的20亿年, 最新的2万年.其中最著名的是墨西哥的奇克苏鲁卜(Chixulub) 陨石坑(170 km, 0.65亿年)和南非的维德佛特(Vredefort) 陨石坑(300 km, 20.23亿年).后者形态保存完好(Albat, 1988; Gorter et al., 1989; Bischoff et al., 1992; 欧阳自远, 1997.图 4).
最近有报道说, 美国科学家根据空中雷达和重力测量, 在南极洲东部威尔斯克地区800多米厚的冰盖之下发现一个超级陨石坑, 直径480 km, 推测其撞地外星直径可能达到48 km.并说该次撞击可能是导致2.5亿前发生冈瓦纳古陆解体和二叠纪末全球古生物大灭绝的重大灾变主因.
不能排除地球曾遭受过比这更大的外来星体碰撞.因为月球和其他星球上就存在着比这还大的撞击环形山.由于地球上不断发生的造山运动、剥蚀作用和大部分为海洋, 会使不少(特别是古老的) 撞击坑被破坏、覆盖或淹没而不复得见.
撞击地球的天体主要来自太阳系的小行星和彗星(欧阳自远和管云彬, 1992; 欧阳自远, 1997; 王道经等, 1997; 许靖华和何起祥, 1980), 也不能排除来自太阳系外的天体.现存的小行星总数约有5万个, 其直径最大者达1 000 km.地球作为太阳系的一员, 跟随太阳系以250 km/s的速度围绕银河系中心运行, 约2亿年周转一圈(称为一个宇宙年).在这种运行中, 不能排除与其他星系穿插遭遇, 被太阳系外较大星体碰撞的可能性.因此, 在百万年、千万年以至上亿年一遇的水平上, 估计会有几百km直径的星体撞击地球的机会, 当不为过.
2.2 星地碰撞的动力作用
外星撞击地球所产生的动力作用, 可分为正向冲击、纬向剪切和经向剪切3种.正向冲击是指沿地球半径方向, 直接指向地心的冲击作用; 纬向剪切是指沿着赤道纬度线, 做与地球半径相垂直的剪切作用; 经向剪切是指沿经度线做与地球半径相垂直的剪切作用.这3种作用只有在极端巧遇的情况下才会单独存在.任何一次稍微偏斜的撞击都会同时产生具有这3种作用的分力(图 5).
图 5 星地碰撞的动力作用图解Fig. 5. Map of dynamic action of collision of a celestial body with the earth图 5中, S-C-D为外星撞地方向, C为撞击点; L-M-L-N为撞击点所在纬度平面, D为其圆心; O为地心, P-P及H-H为南北向及东西向地球直径.C-D为总撞击力, 设其不通过地心, 沿L-M-L-N纬度平面指向地轴; C-E为正向冲击力, 指向地心, 其值=C-D·cosα, 极限值为D、O重合, 等于总撞击力; C-A为纬向剪切力, 在撞击点的纬向剖面上, 垂直指向纬度半径, 其值=C-D·sinβ, 极限值为A、H重合, 亦等于总撞击力; C-B为经向剪切力, 垂直指向地球自转轴, 其值=C-D·cosβ, 极限值为B、P重合, 亦为总撞击力.
星地碰撞作用的力学强度取决于撞地外星的质量、飞行速度、撞击点及撞击方向, 各有其理论计算公式(Woronkov, 1954; 吴汉珍, 1997; 王建中, 2001).
2.3 星地碰撞的正向冲击可以造成全球规模的地壳裂缝系统, 为岩浆上侵和洋底扩张创造条件
设有一个半径为100 km的外星, 正向冲击地球.根据卡诺理论公式计算, 其冲击释放能量(Ec) 为6.78×1028 J, 相当于17亿个100万吨级的原子弹爆炸.比历史上最大地震, 智利1960年8.9级地震释放的能量(1.4×1018 J) 大10个半数量级.据统计, 大地震释放的能量与其造成的地裂缝长度有一定相关性.根据选自全球有震裂长度记载的8个7.4至8.9级地震统计, 震级每增加0.1级, 震致裂缝长度增加50至200 km, 平均每高1级, 增长1 000 km.而且震级越高, 震裂长度增加增幅越大(王赞军等, 2002; 候康明等, 2005; 中国地震台网中心, 2007.表 1).
表 1 地震震级与地震裂缝长度的关系统计Table Supplementary Table Statistics of seismic magnitude and the length of seismic crack
地震等级与释放能量的关系是确定的, 即震级每提高2级, 释放能量增加3个数量级.前述比智利8.9级地震的能量还高10个半数量级的那次星地碰撞, 其能量相当于1个15.9级地震.星地碰撞与地震都是对地球浅表部岩体的动力破坏作用, 若可参照对比, 则该次星地碰撞, 至少能造成8 600 km的地壳裂缝(智利地震造成1 600 km的海底裂缝), 据此推断, 足以使整个大陆或洋底裂解.前述美国专家推测, 埋藏在南极冰盖下面那个直径480 km的陨石坑可能就是导致冈瓦纳古陆裂解(随之漂流分散) 的那次外星撞击的遗迹.这也表明了有关专家对大规模星地碰撞能够造成大陆或海洋地壳裂解的共识.不过, 其在时间关系的论述上有些问题, 因为造成大陆裂解的撞击坑, 理应是大陆裂解的裂缝交汇点, 它本身势必也被分割成数瓣而各随所在大陆块体漂流开去, 不大可能还完整地留在原地.
至于洋底由大洋中脊向两侧扩张所表现的断续多期性, 可用多期星地碰撞效应来解释.每一次大的星地碰撞对全球地壳的稳固性都是一次大的冲击.超大规模(譬如几千万年至上亿年一遇) 的星地碰撞能造成大规模新的断裂系统, 同时会引起原有老断裂的普遍强烈复活; 即使是强度稍弱一些(譬如几十万年一遇) 的星地碰撞, 也足以引发原有地壳大裂缝的复活.原有洋底大裂缝, 虽经先期岩浆填充, 但仍是一个异常脆弱带, 经历后来每次强大扰动复活后, 都会再度裂开接受一次新的岩浆上侵, 并形成一个较新年代的岩石条带.这也就是洋脊两侧岩石古地磁年龄依次变老, 而且其年龄突变时期常与古地磁的极性倒转时期一致的原因.根据我们的研究, 古地磁的极性倒转也常是星地碰撞引起的.
2.4 星地碰撞作用可以为海陆变迁和板块兴衰提供新的模式机制与动力来源
每次大规模星地碰撞的正向冲击作用都会在地壳上形成新的大规模断裂系统, 并使受影响的老断裂复活.撞击地点是随机变化的.不同时期的大规模撞击在不同地区造成的新断裂系统, 就会使与断裂有关的海陆变迁出现新的地域变化格局.此外, 星地碰撞的纬向剪切作用会使地球转速发生变化, 从而产生经向及纬向惯性离心力增量, 导致地壳上下层圈之间发生水平运动.在洋壳与陆壳之间的接触运动方面, 如果不光注视洋壳的俯冲前进, 而将陆壳可能有的水平运动(刘广润和张宏泰, 2007) 也充分考虑进去, 可能会有补益.总之, 上述星地碰撞作用的效果, 可以使板块构造学说解释在海陆变迁机制和洋壳俯冲消亡等方面的困惑, 并有助于大陆古板运动演化问题(李春显和汤耀庆, 1983; 钟增球等, 2001; 姜春发, 2002; 张国伟等, 2002; 王鸿祯等, 2002; 洪汉净等, 2005) 的深入研究.
3. 结语
(1) 星地碰撞作用对地球来说是一种来自外部的强大突发外动力作用.它对地球上地质构造的影响是全球性的, 大陆与海洋所有地区概莫能免.板块构造活动是全球性的, 它也避免不了星地撞击的影响.板块构造理论是以地幔对流为力源支撑的一种内动力主导型理论.在其研究中也有必要充分考虑星地碰撞及其他内、外动力作用的影响, 补充、完善自己的不足, 以求有关问题的合理解决.本文“星地碰撞作用的板块构造效应”的主旨, 就是试图将星地碰撞作用的某些可能效应, 应用到板块构造研究上来.我们绝无全盘否定板块构造之意.我们认为, 用先生成撞击裂缝而后诱发岩浆集中沿缝上侵(不妨称之为“撞裂诱侵”) 的理念取代地幔对流, 以洋底扩张为主的板块构造活动会照样进行, 板块构造理论或可更好地发展.
(2) 全球地质构造的发展演化历史, 是在来自地球内部的和外部的, 突发的和渐变的, 多种动力作用共同参与下形成的(孙殿卿等, 1995; 马宗晋和杜品仁, 1995).每一种构造学说或假说, 只要能清楚地说明其中一个方面或一类特殊问题, 就有其存在的价值.若想形成一种成熟的、全面的全球构造理论, 必须综合考虑集成吸纳各有关方面的有用成果.这需要地质界同仁的共同努力.
(3) 星地碰撞的地学效应是多方面的.除了对大陆与海洋区的地质构造效应(刘广润和张宏泰, 2007) 外, 还有地层及岩矿学效应、古气候及古生物效应和古地磁效应(刘广润和张宏泰, 2005)等, 目前我们正对之进行初步的系统探索.
本文在成文过程中, 得到中国地质大学(武汉) 工程学院杨有成博士、胡斌博士, 华中科技大学力学系黄敏生博士, 中国核工业总公司董仕枢高工, 天津地勘局李凤忠教授级高工等在力学计算、资料收集和图件绘制等方面的热心帮助, 在此一并致谢.
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图 1 全球板块构造分区图(转引自上田诚也, 1973)
1.扩张轴, 大洋裂谷; 2.洋壳俯冲到大陆架之下; 3.几种类型的断裂带; 4.大陆裂谷; 5.洋壳俯冲到科迪勒拉山系之下; 6.洋壳俯冲到洋壳之下; 7.大陆-大陆碰撞
Fig. 1. Distribution of global plate tectonics
图 2 地幔对流及洋底扩张示意剖面图(a图和b图转陈琦和刘永祥, 2004; c图据鄢全树和石学法, 2006)
Fig. 2. Schematic section of mantle convection and sea-floor spreading
图 3 地球内部层圈结构划分图(a)、地球内部圈层的波速和密度图(b)和地球内部圈层物理数据统计(c)
Fig. 3. Distribution of layers in earth interior (a); Map of wave velocity and density of layers in earth interior (b); Statistics of physical data of layers in earth interior (c)
图 5 星地碰撞的动力作用图解
Fig. 5. Map of dynamic action of collision of a celestial body with the earth
表 1 地震震级与地震裂缝长度的关系统计
Table 1. Statistics of seismic magnitude and the length of seismic crack
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