博文
板块说的缺陷与地学的贫困
|||
关键词：大地构造学，地球自转，地幔分异，地幔对流，超高压矿物，大陆深俯冲。
（一）前言
在人类创建的各门科学中，地学与人类生存和生活的关系最密切。但地学对我们这个行星上海陆的起源、山脉的形成、地震与火山活动等一系列问题，至今不能给出科学的说明。
地学的基础理论－地壳运动与大地构造理论，从“冷缩说”开始，提出的假说不下上百种。互相对立的假说众多（收缩说与膨胀说，漂移论与固定论……），却没有一种能够确立。上世纪70年代，地学接受了板块说，作为地球科学的基础理论。经过40年实践检验，板块说暴露出重大缺陷。1994年5月“地球构造及其动力学”香山科学讨论会上，马宗晋院士总结发言中谈到：“已发现很多与板块理论不相符合的事实，大洋内也有很多现象不能用板块构造理论解释，过去作的深海钻探其实很浅。地球科学理论的发展已出现多元化局面和用新理论替代的趋势。已有很多新资料提出了质疑和反证”。但会议仍认为“板块构造经历了二十多年的科学检验，已被证明是正确的，今后的工作是对这个理论进行补充和完善。现在地球科学处于后板块理论阶段，将在板块构造理论的基础上向前发展，走向21世纪。”
据我了解，这些与板块理论相冲突的事实并非无足轻重枝叶末节的小事,每一件都能致其于死地。
下面谈谈板块说不能成为成功科学理论的原因及其根本缺陷。
（二）板块说的根本性缺陷
1. 板块说不能说明海陆的起源
大陆漂移说是板块说的前驱。魏格纳以“海陆的起源”一书发表他的大陆漂移说，阐明海陆的起源应是该书也是任何一种地壳运动与大地构造理论的主题。
而在魏格纳的书中，海洋和陆地这些实体一开始就已存在，书中只是描述了陆块的分裂及海、陆位置的变迁，并未像“生命起源”或“太阳系起源”理论那样，向人们说明大陆及海洋的发生、发展及演化。在魏格纳的理论中，为了用大陆的拼合论证大陆的分裂和漂移，陆块的整体形状在漫长的地质时期中还必须保持不变！魏格纳理论中这些根本性的缺点却被板块理论继承。
大陆漂移说和板块说的理论框架中不包含大陆和海洋发生的内容。一个不能说明海陆起源的地学理论是没有多少价值的。
2. 大陆根的发现宣告大陆漂移与板块运动设想破灭
自从三维地震层析发现大陆具有400-500公里深地幔根后，[1]大陆漂移与板块运动就成了臆想。
地震层析技术的分辨力难于辨识尺度较小的对象，却能足够肯定地识别数百公里尺度的大陆根现象。地震层析技术发现，无论是北美大陆还是欧亚大陆，所有古陆核中心底部都有深地幔根。 “大陆漂移”及“板块运动”概念均成了空中楼阁！谁也无法说明具有深地幔根的大陆能够漂移，在漂移后，陆根还能保存下来！
3. 无视地球自转在地壳运动中的重要作用
自转是地球的重要特性，一些地球科学家根据众多事实认识到地球自转在地壳运动中必定有重要作用。地震学的一个重要事实是：纬度高于73度的两极地区没有7级以上地震活动，位于地球自转轴两端点的极区无地震揭示了地球自转在地壳运动中的重要作用。然而，地球自转的作用在板块说中并没有得到反映，两极地区为何缺少地震也一直令板块说困惑。
对地球自转作用的忽视，其实质是板块说对地壳运动这种耗散过程能量来源判断的错误。
大地构造运动所需能量只有通过消耗地球内部或外部环境中存在的某种能源才能实现。在地球内部各种能源中，放射性热能、地球转动能是两种最重要的能源。[2] 板块说选择放射性热能为大地构造运动的驱动能源，构思了“地幔对流”为具体驱动机制。却将真正的动力能源―地球自转能弃之一旁。
行星地球是一个耗散系统，这个系统在开放的远离平衡条件下，在与外界交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部非线性动力学机制的作用，发生具有一系列特征结构的地质构造运动。要说明大地构造运动的起因并说明其过程，首先必须找准这个系统耗散的是哪种能源。
能源选择错误，学说就走上了歧途。
4. “地幔对流”热机驱动机制存在根本性问题
上世纪“国际上地幔计划”的主要成果是发现了全球各地上地幔的不均一性。各大洋洋底玄武岩成分的系统差异，表明地球从星子聚集形成后，能导致地幔成分均一化的地幔对流从未发生。
在150-200km（有些可达到300-450km）深度上地幔中生成的大颗粒金刚石，生长温度与压力在30亿年中基本未变的包裹体测量结果表明：地幔中并无板块说设想的对流存在！〔3〕
地热学的研究早就指出了“放射性热量随深度呈指数减小，……一个具有花岗岩平均生热率的上地壳就足以产生来自地球内部的所有热流量”〔4〕。现在我们已经知道由于地球排气作用，地球内部放射性物质在地史早期就已集中到了地球表面。〔5〕 地球内部放射性物质极其稀少，并不能为设想中的“地幔对流热机”提供热能。
放射性元素的发现，使“冷缩说”最终崩溃；地球内部并无放射性物质，则给“地幔对流”这台热机釜底抽了薪。
大陆根作为观测证据，金刚石作为实物证据，证明地幔没有对流，驱动板块运动的动力并不存在。
5. 地球演化中确凿存在又极其重要的“地幔分异”过程被忽视
“地幔分异”是地球演化过程中确凿存在而又极其重要的物质过程。作为地球主要特征的“圈层结构”正是分异的结果。“对流”与“分异”是两种不相容的物质运动过程。板块说需要“对流”为其提供动力，“分异”必然被忽视！
一个完善的地壳运动理论必定会对运动的主体－地壳物质的由来给以交待。杜乐天揭示了在地球排气作用下玄武岩从地幔中分异的过程。指出了地球排气在地球物质分异中起的重要作用。[6、7]
地震层析发现的大陆根现象，经重力反演被认证是大陆下部上地幔的高密度异常。[8] 因此，大陆根可认为是分异出玄武岩物质后留下的高密度地幔。上浮到地表的玄武岩则构成大陆物质。由此可计算出分异物质上升的平均速率约0.1mm/a。大陆就是从大陆根中分异上升的轻物质！[9]
地球科学必须尽早将目光从“地幔对流”转移到“地幔分异”上来。
仅上述五个问题，就动摇了板块说的立论基础。反对板块说还在于，这一假说不能解释中国大陆的地震活动。
6. 板块说不能解释中国大陆的地震活动
在板块说中，地震是板块碰撞的结果。但是，中国大陆地震都发生在所谓的“板块内部”。如何用板块碰撞解释中国大陆地震？一个办法是划小板块，增加边界。但是很难令人信服。
发生在华北地区的强震对中国有很大影响。这里的强震，大都发生在晚新生代以来的继承性断陷盆地中。如山西断陷盆地、河北平原凹陷、勃海凹陷和下辽河凹陷中都发生过7级以上强震。在华北平原上更发育了一系列平行的断陷拉分盆地，想在板块说框架内解释华北的地震，简直难以着手。
板块说登陆失败已是不争的事。中国地质科学研究院的资深研究员赵宗溥在分析了大陆内部，尤其是中国大陆造山带的地层、化石等资料后指出：“碰撞造山说法，根本是没有地质事实根据的臆说”，在板块说已成为主流学派一面倒的学术形势下，他大声疾呼：“只有实践才是检验真理的标准，就地质来说，无论部分或全部的板快学说，不合于实际，必然是错误的。”“碰撞造山之说，愚诬之学；无稽之言，不可听” 。〔10〕
上述所提6条表明，香山讨论会关于“地球科学理论的发展已出现多元化局面和用新理论替代的趋势”的意见是对的；而认为“板块构造经历了二十多年的科学检验，已被证明是正确的”则不是正确的判断。
一定会有人说，板块说还是用一种统一的观点解释了如全球性的大洋中脊体系、海陆交界处的贝尼奥夫带、地磁异常条带等多种地学现象。其实，这些现象具有多解性。对这些现象同样给出合理的解释是新理论必须做到的。
十九世纪末，物理学晴朗天空的天边出现了两朵小小的乌云（迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射实验）。二十多年后，这两朵乌云发展为一场暴风骤雨。雨过天晴，蓝天展现在眼前。而今，地学的天空已是乌云密布。暴风骤雨何时来到，吹散满天乌云？
（三）地学的贫困
大学毕业后，中学同学聚会。听学地质的同学说，地质大学有顺口溜：“小构造吵吵闹闹，大构造胡说八道！”听了只是觉得好奇。
1975年，调到市地震办公室工作。地震是大地构造运动的表现，要了解地震必须了解大地构造运动的起因。就这样，开始自学地质知识，努力去了解大地构造学的发展和各种学派的概况。入了这行才对这句顺口溜的含义有了些认识。原来在这门科学中，各种不同的假说要以百位数来计算！提出来又被抛弃的假说一堆又一堆，又很少见到有人检起扔掉的假说，解剖分析一下，这些错误的假说是在哪些方面考虑不周，教训又何在。
接触到大陆漂移说和板块说时，首先的反映是新奇和震撼。在了解了主要内容后，又向怀疑和批判方向转变。不久，国外又传来了“地体说”。说一些相距数千公里的地壳碎块会跨海越洋拼贴成新大洲。在一个允许大陆作远距离水平漂移的理论体系中，这样的推广也属自然。但对一个工程专业毕业的外来汉，这种种大胆而新奇，又很少考虑力学上可能性的想法，实在让人难以接受。
以后，参加了几次地质界的学术研讨会。在一次会上听到地矿部几位地质学家提出了一种新的全球构造动力机制假说。说大地构造运动的能源来自地球内部的核反应，这种核反应区域又在地球内部风暴似地移动，引起了各种类型的构造运动。我不清楚这几位地质学家根据核物理学的那些原理提出这种假说。几年以后，这种假说的声音就再也没有听到了。
又有一次，听说在地壳岩石中发现了超高压下才能形成的柯石英和金刚石微粒。于是地质学家（Chop in和Smith 1984）据此提出了“大陆深俯冲”到100多公里深的上地幔中，以后又“快速折返”的“深俯冲大陆动力学”构造运动新理论。 〔11、12〕
刚听到这一说法，先是感到很新鲜。仔细一想，这种俯冲到100公里深度又快速折返到地表的运动（不快速，柯石英和金刚石就会退变成普通石英和石墨），其动力学过程实在让人生疑。
不久，另一派地质学家提出超高压矿物是构造附加压力的作用，并不一定需要深俯冲才能形成。〔13、14〕 两派经几个回合的文章官司后，深俯冲的反对派因提供的构造应力值不够，深俯冲一派占了上风。〔15、16〕 “大陆深俯冲”成了中国地质学研究的一大热点，还列入国家基础科学研究973计划。（听说最新的说法，深俯冲已达到350公里深度了！）
这个问题也引起了我的兴趣。于是找文献了解这些超高压矿物究竟是在怎样的情况下被发现的。原来，超高压变质岩主要是榴辉岩，超高压变质矿物柯石英和金刚石多呈数十微米粒级包裹于榴辉岩中毫米粒级的石榴石、绿辉石、蓝晶石、或锆石等坚硬的矿物晶体之内。
――原来如此！柯石英和金刚石处于一个坚硬的包壳之内，受到的既有静岩压力、还会有寄主晶体包壳的围压。石榴石、绿辉石、蓝晶石、或锆石等坚硬的矿物晶体起到了高压容器的作用，成了天然压机。为计算这项围压能有多大，我请教北大力学系主任王仁院士的研究生武红岭研究员，研究结果发表在《岩石学报》上。〔15、16〕 计算结果表明，由于包壳与石英、金刚石热膨胀系数、弹性模量等物性的差异，在环境温度、压力变化时，在地壳深度范围就能生成柯石英等高压矿物。也就是说，解释榴辉岩中存在的超高压矿物，并非必须引入深俯冲概念。
石英－柯石英的转变压力2.6-2.7Gpa。当>2.7Gpa的压力完全由静岩压力提供时，包壳外界面与石英粒－包壳界面处的压力是相同的。静岩压力减小过程中，包壳内、外界面的压力始终相同。包壳始终处于均匀压力状态，不会出现裂纹。当>2.7Gpa的压力中有相当一部分由包壳收缩产生时，包壳内界面的压力要大于外界面压力。包壳给柯石英加压，柯石英就要涨裂包壳。此时，作为压力容器的寄主矿物内就可能出现张裂隙。实际情况是，我们确实在石榴石、锆石这些寄主矿物与柯石英粒的交界处看到放射状的张裂纹。
武红岭的文章发表后，并无责疑与反驳的文章发表。按学术论争的规则，可以认为武的解释已被学界认可和接受。接下来应该结合地质环境温压变化的各种组合，进行更深入的分析，以了解这种微观超压机制最大究竟能提供多大的超压，并进行高温高压实验验证，找出这种超压机制的规律。这样，我们就发现了变质作用的一种新机理。据此，在研究大陆深俯冲时，扣去包壳围压增量再计算俯冲深度就会更合理。
但在之后发表的深俯冲文章俯冲深度计算中，都不考虑扣除包壳围压。这样得出的俯冲深度又有什么价值呢？主张深俯冲的地质学家显然忽视了晶体包壳围压因素。这样的深俯冲文章是不是太不严谨了。
地质学的研究对象很复杂，影响因素很多。要得到一个可靠的结果很不容易。见到一种现象不好解释，不作细致的分析，从各方面寻找这种现象的原因就贸然提出这是某种大构造活动的结果。恐怕早晚会是又一个“小构造吵吵闹闹，大构造胡说八道！”
2009-12-03
参考文献：
[1] Fukao，Y., Maruyama, et al., Geologic implication of the whole mantle P-wave tomography,
[2] 傅承义、陈运泰、祁贵仲，地球物理学基础，北京：科学出版社，77-79页，1985.
[3] 池顺良，天然金刚石－3000Ma以来上地幔未参与对流的物证，地学前缘，vol.9，No.4,2002.
[4] Buntebarth, G.,易志新等译，地热学导论，北京地震出版社。17页，1988.
[5] 池顺良，放射性元素集中于上地壳的原因及其地球动力学意义，地球科学――中国地质大学学报，vol.28，No.1,2003.
[6] 杜乐天，地幔流体与玄武岩及碱性岩浆成因，地学前缘，vol.5，No.3,1998.
[7] 杜乐天，地球排气作用――建立整体地球科学的一条统纲，地学前缘，vol.7，No.2,2000.
[8] 方剑、许厚泽，全球地幔密度异常及其构造意义，测绘学报，vol.29，增刊,2000.
[9] 池顺良、骆鸣津，海陆的起源，北京：地震出版社，81-84页，2002.
[10] 赵宗溥，大陆碰撞构造剖析，地质科学，vol.29,No.2,120-129页，1994.
[11] 李曙光，大陆俯冲化学地球动力学，地学前缘，vol.5,No.4,211-234页,1998.
[12] 王清晨、从柏林，大别山超高压变质岩的地球动力学意义，中国科学D辑，vol.26,No.3,271-281页,1996.
[13] 吕古贤、陈晶、李晓波、刘瑞峋，构造附加静水压力研究与含柯石英榴辉岩成岩深度测算，科学通报，vol.43,No.24,2590-2602页,1998.
[14] 王清晨、刘景波、从柏林，构造超压能引起超高压变质作用吗？科学通报，vol.44,No.21,2346-2352页,1999.
[15] 池顺良、武红岭，寄主矿物天然压机机制与超高压矿物的形成，地学前缘，vol.9,No.3,118页,2002.
[16] 武红岭、池顺良，微观结构超压机制与超高压矿物的形成，岩石学报，vol.19,No.4,739-744页,2003.
https://wap.sciencenet.cn/blog-51667-276249.html
上一篇：深井宽频钻孔应变地震仪与高频地震学 ——地震预测观测技术的发展方向，实现地震预报的希望
下一篇：“寄主矿物天然压机机制”与超高压矿物的形成
