池顺良

 

序

上一篇我们提出了全球构造运动的主导动力来自潮汐作用的判断。接下来要阐明潮汐作用是如何引起地球上的构造运动的。如果我们能够依靠潮汐作用对地球的构造特征及其空间分布规律和构造演化过程作出解释，这一判断就可升格为假说。

地球是个复杂的耗散系统。从外界输入能量到这个系统自发地演化出有序结构会经过一连串的能量转换环节。寻找并解开每一个环节都不是一件轻而易举的事。

但有一种构造运动，潮汐能转化为构造运动的环节比较少而直接。这就是发生在大洋底的洋底火山活动。

 

                        前   言

 

火山喷发给目击者留下非常深刻的印象。但是，在火山活动中释放出的热只占地球放出的总热量的很少一部分，大致只占地球内部散发到空间的热流量的千分之一。

因此，Scheidegger在他的《地球动力学原理》中说：“火山活动在地球表面的演化中的确并不是一种举足轻重的现象，火山活动的能量供给是不成问题的，因为它仅要求有少量的附加热量（在正常热流之上）就行了。剩下要解决的问题就只是找出所有这些给人以深刻印象的喷云吐雾现象的实际机制了”。

Scheidegger接下来说道：“遗憾的是，对于现有火山的实际机制问题还没有确切的答案。格拉顿（Graton,L.C.）曾经论述过这个问题，但没有肯定下来。所有考虑的途径都碰到了一些非常严重的障碍。”就是说，我们对这些‘少量的附加热量’是什么能量、它们又是如何集中到需要的地方的仍然不清楚。也不清楚现在流行的火山模式中，岩浆上升需要的岩浆通道是如何出现的；岩浆房又是如何腾出空间来接纳向上运移集中的岩浆的。

和地震的情况一样，现有理论体系对中国大陆地震成因的解释是不成功的。正如湖南省地震局周友华研究员所说：“细心研究下去就会发现对地震及一些构造现象，用板块理论进行抽象笼统的说明还可以接受，但一旦进行具体时间、地点、构造及地震事件必然性的解释时就显得无能为力了”。现有的火山理论同样经不起实际机制方面的深究。地球上的火山活动仍是一个待解之谜。

 

洋底火山活动的“潮汐加热模式”

二战前后，随着回声测深技术出现，在世界大洋底部发现了大量洋底火山。1942年，Hess在太平洋中发现了平顶山。这是曾经出露洋面，顶部完全被海浪夷平后又从洋面下沉的火山锥。

洋底火山和截顶锥在太平洋已有大量发现，在大西洋和印度洋中也有。现在已知洋底火山的总数达一万多座，其中包括约300座截顶锥。

板块说用“地幔柱”或“地幔热缕”来解释洋底火山的成因。热的地幔物质沿着柱状通道上涌，到岩石圈底部在地表形成热点，融熔物质从热点喷出地表成为火山。（图1）

 

图1.热点下方设想的岩浆通道（摘自Wilson “大陆漂移”）

 

扩张漂移着的洋底通过这些热点，就生成一连串的火山，形成“火山链”。太平洋中的夏威夷群岛和天皇海岭是最著名的火山链。岛链东南端的基拉韦厄火山是现代活动的活火山，向西北方向，随着距离的增加，熔岩的年龄也随着增加。这就是太平洋火山链成因的“地幔热缕”假说。

这个假说似乎能解释太平洋底几道主要火山链的分布。但其它火山链如Cook-Austral火山链又不满足这种年龄分布（朱炳泉、崔学军，“板块构造学说面临的挑战”，2006）。其余星罗棋布的大量火山岛，则很难用“地幔热缕”来解释。除非不断增加热点数目。但要给一万多座洋底火山底部都象（图1）那样连接上岩浆通道，这个假说将变得不可思议地复杂。

太平洋中部一些岛屿是在始新世形成的。其上的火山一直到现在还在喷发。从始新世到现在已过去了5000万年，按海底扩张说，洋壳连同其上的火山至少已移动了1500公里。这些移动了的火山又如何同深部的“热缕”保持连通？这些问题都对洋底火山的“热缕”说提出了质疑。

通常认为，热容易扩散而不可能自动集中。因而，热的熔浆必须由更热的深部向地表运动，带来必须的热和热物质。因为实在不知道Scheidegger所说的这“少量的附加热量”是如何集中到需要的地方的。这就是提出（图1）所示洋底火山机制的认识论根源。

地震层析成像发现，“热点”的热区域位于洋底地壳下并不很深的地方（100-200公里）。这个事实明显有利于热点的根源位于地球浅部的观点（冯锐，“地球物理CT技术及其应用”，1990）。由于这些热区域十分接近地表，不妨设想这些热区域的形成可能与来自地表浅部、甚至与地表外部的某种加热机制有关。只要这种机制能够提供这些“少量的附加热量”。

对于洋底火山活动，自然会将其同大洋中发生的同样令人印象深刻的海洋潮汐作用相联系。

全球火山活动散发的热只有1.2×10¹⁰J∕s （傅承义 “地球物理学基础”，1985），只占地球内部散发到空间热量（3.5×10¹³J∕s）的极小部分，也小于根据天文数据推求的潮汐总耗能率（4×10¹²J∕s） （Lambeck “地球自转的变化”，1988）。因此，将洋底火山活动归因于潮汐作用的结果，从能量平衡上是有可能的。

洋底在滚动的海潮负荷下，产生潮汐负荷应力和应变。一个潮汐周期，单位洋底介质的耗能和产热率可由下式确定：

W＝2πE∕Q              （1）

式中E为单位体积介质在一个潮汐加、卸载周期中吸收或释放应变能的最大值；Q为介质的品质因子。对地壳和上地幔中地震波衰减的研究，对于12小时的潮汐周期，Q值约为100。大洋中潮波的潮高在0.2～ 0.7米，由此不难算出洋底介质中的应变能E。关于计算介质应变能E冗长的公式这里就不写出了。

这样，只要计算出高潮和低潮时洋底介质应变能密度的差，就能得到海潮效应在洋底介质中的产热率。

我们用一个简单的二维模型估算洋底中的潮汐能耗量级。看看这一机制能否提供Scheidegger 所述的‘少量的附加热量’。（图2）

图2.是算得的潮汐耗散产热率在洋底的分布图。产热率达到0.1～0.5μW∕m³。大大超过了相应深度地幔岩的放射性产热率（～0.01 μW∕m³）。－其实，火山学家早就知道，在火山岩浆和放射性元素丰度之间没有明显的相互关系。岩浆中既没有异常的放射性，特别活动的火山区的放射性也并不高。地幔岩中如此低的放射性产热率根本不能成为火山活动的根源。倒是大海中汹涌的潮流可能为洋底火山活动提供需要的‘少量的附加热量’。

图2.洋壳下方海潮负荷效应（只考虑形状应变能）的产热率

 

 

在负荷潮汐作用下，洋底某个部位因潮汐加热而相对较热，因而介质的Q值较低。这又使该区域的耗散产热加剧。岩石一旦发生部分融熔，Q值急剧下降，潮汐产热进一步增加而导致雪崩式的熔岩形成过程。

根据“潮汐加热模式”，洋底地层的某个区域在潮汐加热下经过约300万年热积累，融熔百分率达到5％ 之后，将在约20万年的短时间内融熔百分率达到50％。

当熔岩数量增加，体积膨胀（膨胀10～16％）而引起上覆地层开裂。地层开裂处下方熔岩压力骤降，沸腾的岩浆冲开通向洋底的通道。一座新的洋底火山就开始活动了。随着熔岩堆积，火山锥不断生长直到升出洋面。又在自身的重压下引起基底变形，又下沉到洋面以下成为截顶锥。

这里提出的通过海潮负荷加载由上向下的加热机制，对洋底火山活动的成因机制给出了一种可能的解释。这种加热机制同微波炉加热食品的机制类似，都利用了材料分子的内摩擦发热现象。消耗的能量来自潮汐运动的机械能，而潮汐运动消耗的能量，最终来自地月系统的转动能。

Yoder 在《玄武岩浆成因》一书中提到，Shaw在1970年就提出潮汐作用每年可形成30立方公里岩浆。并描述了熔浆形成的“雪崩”式过程。但是随着板块说风靡于世，对火山活动不管是洋底还是陆上火山，已采用了统一的热点模式。潮汐加热机制似乎已被忘却。

现在的有限元计算技术已被用到金属铸造过程。岩浆形成和火山喷发与铸造过程相类似，只是途径相反。用有限元方法对“潮汐加热洋底火山形成模式”进行数值模拟，应是检验这一模式的一种方法。

 

                       结束语

地球上的热活动不只在大洋底部进行，这里提出的机制显然不适于解释陆上的火山活动。陆地火山和洋底火山无论在喷出方式和溢出物质的成分方面都有重大区别：陆上火山大都表现为酸性岩浆的猛烈爆发，洋底火山则表现为基性岩浆较为平静的溢流。因此，虽然同为火山活动，但陆地火山与洋底火山具有不同的集热与成因机制并非不可理解。

关于陆地火山，也就是地槽活动后期的火山活动的成因，将在以后讨论。

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