冰川对火山喷发和地震的影响.doc

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：）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，2.641019kg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。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，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13C的负漂移，最终导致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(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