对侏罗纪若干重大地质事件的初步分析

对侏罗纪若干重大地质事件的初步分析

地球和地球上的各种地质体是地球科学研究所调查的对象。这是一个不断变化的开放系统，与外部环境之间存在着物质和能量的交换。各种地质作用及这些作用所形成的地质体,大多数处于复杂的非线性状态,即不规则的分形状态。对我们所研究的对象来说,开放性、不平衡性、无序性、非线性是绝对的、长期的;而封闭系统、平衡状态、有序性、线性则是相对的、局部的、暂时的。自然物质自组织过程(包括平衡态自组织和非平衡态自组织)导致的物质构型的多样性和复杂性。岩石圈、生物圈、水圈和大气圈发展、演变史是事件过程与正常过程的交替史,事件过程则构成了地史发展的主旋律,揭示事件过程的特征和规律是地史学乃至地球科学的重要任务。等时或不等时、等距或不等距、等级或不等级、线性或非线性的周期、旋回、阶段和有序性是自然界和人类社会中既简单而又深奥的规律,。比利时物理化学家普利高津(L.Prigogine)于20世纪70年代创立了耗散结构(DissipativeStructure)理论,用以研究系统在远离平衡的条件下,由于其内部的非线性相互作用,发生从无序热力学分支向耗散结构分支转化,形成一种稳定的有序结构。该理论强调当一个体系接近平衡时原有的结构就会趋于消亡,只有当体系远离平衡时才能产生新的有序结构。一个远离平衡的开放物理化学体系(力学的、物理的、化学的、生物的等)具有发生自组织过程的能力。这样的一种体系通过不断地与外界交换物质和能量,就有可能从原有的混乱无序状态,转变成为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。耗散结构定义为:在远离平衡的条件下,借助于外界的能流和物质流而维持的一种空间或时间的有序结构。这种结构是由于进行不可逆过程时体系发生能量耗散所致,如构造活动、岩浆侵入、成矿作用或矿化富集等,均为不可逆过程,耗散结构可给予这些过程新的分析理论和研究方法。熵是描述系统的混乱无序或有序程度的一个重要的度量。系统越混乱无序,系统的熵值越大,反之亦然。在开放系统中,当熵流项(EntropyFlux)deS<0,且其绝对值足够大时,它除了抵消系统内部的熵产生项(Entropyproduction)diS(>0)之后,使体系的总熵变(EntropyTransition)dS=deS+diS<0,从而使体系走向更有序的耗散结构。在白垩纪期间,地球表层各圈层(岩石圈、生物圈、水圈和大气圈)发生的巨大变化是一次重大的地史转折,也是多圈层地质事件的集中爆发,体现了各圈层地质事件的耦合,是当今地学界研究重要热点之一。本文应用耗散结构理论对白垩纪若干重大地质事件进行分析,认为海底火山事件、大洋缺氧事件和超静磁带等事件是由开放的非线性耦合的动力学系统产生的,具有耗散结构特征。1地球系统的散文结构1.1关于地球系统的构成要素地球系统的发展始终受到物质交换过程的影响。在理论上这种过程对地球系统的影响被分为三种不同类型:a.估计自3800Ma以来,生理过程已在进行。这些过程是通过有3800Ma年龄的格陵兰Isua岩石中特殊的碳同位素信息以及化石遗存被证实的。碳交换的开始曾导致一种特殊的与有机体相关的分异。据估计,当时绝大多数生理过程大都是在缺氧、高温的水环境中进行的。现代的深部生物圈似乎代表着这种原始状态。此时地球系统的熵减形式为碳交换作用(deS<0),使地球的生理过程开始,体系向有序方向发展。b.在3000Ma之前,各种细菌中的光合作用系统(叶绿素II、其他色素和膜系统)发展导致了氧气的释放,促使地球系统发生了一次深刻的变革。富氧大气圈的形成长期地改变着表层生物圈(地球表层、水圈、大气圈等)的生物化学和地球化学过程,氧气胁迫作用导致了在一个细胞内复杂的微细胞器群体的产生(内源共生体理论),并由此形成了真核细胞,进而形成复杂的多细胞系统。光合作用与富氧(deS<0)是地球系统的熵减另一种形式,它使地球产生真核细胞,并形成了复杂的多细胞系统。地球体系进一步朝有序结构进化。c.在前寒武纪向寒武纪的转折时期出现了生物矿化作用过程。当时水环境中过饱和钙元素的存在,可能导致了特殊的能够耦合Ca2+的大分子的出现。有机体被迫发展排除钙元素毒害作用的机制,而这种机制可能控制着真菌的钙元素交换。该分子中的一种类型就是母体分子,它们的功能在于吸纳生物矿物质并控制矿物质的生长。只有通过这种过程,才形成了复杂的有机物控制系统,而这一控制系统可能造就了有机体、有机体群落和生态系统的差异性与多样性。生物矿化作用与钙元素交换(deS<0)促使地球系统的总熵变为负值,造就了有机体群落和生态系统的差异性与多样性,从而使地球体系走向更有序的耗散结构。开展地球历史中物质交换过程发展的研究,对于估计岩石圈表层进行着的地质过程、地球化学过程和生物化学过程将会有重大的影响。1.2地震生物在果代动力学中的作用机理在地球发展过程中,包含着生物进化过程,而生物多样性变化总是伴随着新的栖息地形成和灾难性事件的出现。许多研究者认为人类正面临着生物多样性的危机,该危机正在接近地史时期中的生命大灾难时期,或者也可能正在跨越生命大灾难时期。生物不再能够适应由地球内部因素或者地球外部因素导致的环境突变(如气候变化、火山爆发、海陆变化或流星撞击等),这是地史时期中很多大灾难的最终结果。生物多样性的变化反映了生物圈和生命的发展史具有不连续性。综上所述,地球依赖于同宇宙星体不断的能量与物质交换以及内部的耗散过程来维持自身的运动状态和各种层次的时空结构;岩石圈、生物圈、水圈和大气圈等之间的相互作用与耦合是地球物质系统内诸要素间非线性作用的表现;地质事件中的巨旋回运动则与非线性、不可逆过程的巨涨落相对应。2事件的时空差异表现出耗散的阶段性在自然界,平衡是相对的,不平衡才是绝对的。热力学第二定律指出,自然界中一切自发的过程都是不可逆过程,因而演化过程中所经历的状态全为非平衡态,非平衡演变过程中能形成非平衡结构。再者,当受一定边界条件约束时,体系最终也达不到平衡,这种现象在自然科学乃至社会科学中都证明是普遍存在的。因此,近年来非平衡热力学和耗散结构理论已引起许多地质家的重视,并开始应用于地质地球化学研究。笔者认为,白垩纪发生的若干重大地质事件均可运用耗散结构和混沌理论加以动力学分析。地球环境和天文环境在白垩纪时期发生了重大异常,是地球系统科学的关键与重要时期。白垩纪地球整体事件的异常现象以火山岩浆活动、地磁极性、洋脊开裂速度、巨型金属成矿、大洋缺氧、黑色岩系、巨型油气成藏、CO2等气体喷发、海水温度升高、海平面上升、天文环境等异常变化最为明显。这些事件是地球系统熵的多种表现形式,一些(火山岩浆活动、地磁极性、洋脊开裂速度)的熵为正值,另外一些(巨型金属成矿、大洋缺氧、黑色岩系、巨型油气成藏、CO2等气体喷发、海水温度升高、海平面上升)的熵为负值,从而使地球系统的总熵变发生变化,造就了在地球发展过程中,时空上的相对有序状态(见图1)。在距今100~90Ma期间古温度变化出现高峰,同时海平面升高150m。地球的排气异常在白垩纪尤为明显,当时大气中CO2浓度是现在的7倍以上。地球转速从白垩纪至今表现为明显下降。这些异常事件是地球系统内各圈层相互耦合的产物,事件相互之间不是孤立的,单个事件引起的全球变化对其他事件起着明显的正或负反馈机制作用。地球通过异常的排气作用获得负熵,而温度达到最大值和海平面升高150m是地球能量释放的结果,这正是耗散结构的具体表现。地磁异常变化主要表现为距今121~83Ma期间出现的地磁极性正向超期,地磁正极性强度与热幔柱活动呈正相关,与地球气候也呈正相关。黑色岩系发育的可能时间为距今175Ma,120~100Ma,90Ma,80Ma,它显示了一个缺氧的生成环境。岩浆活动在白垩纪出现一个峰值,其中以距今132Ma时期最为强烈。大洋洋脊开裂速度在距今139Ma,97Ma,90Ma时期有大幅度变化,大约增加1倍。第三代全球洋底磁条带图的研究揭示了地表三大洋洋底在距今大约160Ma,139Ma和97Ma时期发生过重大裂解事件。这些事件与太阳系在远银心点(140Ma前)相对应。上述异常事件在时间上的一致性显示了白垩纪异常事件的地球整体行为。白垩纪岩浆活动异常强烈和大洋洋脊开裂速度大幅度增加是由超过一定强度的能量流和物质流造成的,而这些高强度的不可逆流是由不稳定能量积累后释放形成的。耗散流的驱动力是不可逆力,即它们共轭场的梯度。当这些梯度在机械力约束下增加到足够大(阈值)时,它们就会冲破机械力约束产生异常大的能量流和物质流,给地球带来的正是这些异常大的耗散流(耗散过程)。白垩纪古气候系统是包括大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈所构成的结构复杂、层次繁多、极端敏感的非线性耦合系统,在这个开放的系统中,存在着一系列复杂的非线性过程,从而形成了不同时间尺度、空间尺度的气候变化,古气候演变的非平衡性、多尺度性、突变性正是其非线性本质的表现。在深入研究古气候各子系统变化的物理特征和物理过程的基础上,探讨古气候变化的动力机制,是未来研究的重点发展方向。重大地质事件与全球过去气候变化关系密切,有的直接表现为气候事件,是剖析古气候非线性系统的关键。系统、深入地开展事件与气候关系的研究,将有利于我们对过去变化过程的整体把握。2.1是气候加强的结果在白垩纪时期发生了大规模海底火山事件,,大洋中脊洋壳生产速率的增加和大洋板块内大火成岩省的出现是主要的证据,超级地幔柱发育时期被认为出现在白垩纪中期。大量CO2进入大气圈是火山活动的一个最主要结果,大气圈CO2大规模增加将直接导致全球气候变暖,已经被大量的海洋氧同位素记录所证实。气候变暖反过来又降低海水中CO2溶解度,使得海水中的更多CO2进入大气圈。这一正反馈机制进一步促进气候更加变暖。同时海底火山作用还将持续地释放大量的CO2并排入海洋中,从而导致了海水酸化,使得碳酸盐溶解并释放大量CO2进入大气圈,促使了气候进一步变暖。海平面的升高是大量海底火山作用发生的另一个明显结果。熔岩流喷出到海底和热的、漂浮的地幔柱向上推举洋壳导致洋壳减薄是白垩纪在整个中-新生代时期海平面最高的重要原因。大量海底火山作用的发生以及其所引起的海平面上升、全球气候变暖将直接导致全球温度升高、营养组分的增加,从而加快生物系统演化的速度。海底火山作用的发生和演化是一个动力学过程,为了阐明其机制就必须进行动力学分析。这在本质上是海底火山的非平衡定态失稳并转变耗散结构的条件与机制问题。海底火山事件是地球系统熵产生的表现形式,它的熵为正值。大量的CO2进入大气圈和海平面的升高活动是海底火山作用造成的,是熵流的表现形式,它们的熵为负值。2.2烃源岩—大洋缺氧事件大量碳的埋藏导致大气中CO2含量降低和海底水体中氧含量降低,造成大量生物绝灭等事件被称为大洋缺氧事件(OAE)。大部分大洋缺氧事件被认为是在海侵时期,被海水侵蚀的低地中的营养物质被带入到表层水,从而使表层水营养物质的生产力增加;或者大陆径流的增加使表层水营养物质的生产力增加和碳从表层水中分离,这些分离出来的碳保存在富有机质的沉积物黑色页岩中。大洋缺氧事件与全球碳循环、气候和海洋变化紧密相关,其沉积物——黑色页岩是重要的烃源岩。其特征为富含有机质黑色页岩,有机碳含量最高可达30%;碳同位素正偏,海洋碳酸盐δ13C正偏2‰,有机质δ13C正偏4‰;海洋微体生物发生不同程度更替和绝灭。在白垩纪的Aptian早期,碳同位素δ13C出现负偏移。这是由于温度升高导致天然气水合物大量排放到空气中并被快速氧化,从而造成同期生物圈同位素负偏。大规模的气体水合物从海洋沉积物中开始排放到水中,不断溶解并在水中持续被氧化,就要消耗掉大量的溶解氧,从而造成大洋水体缺氧,促进缺氧条件的形成。一旦海水中的甲烷溶解度达到饱和之后,甲烷将被释放到大气中,被快速氧化并转换成CO2,促进气候变暖和导致大气O2含量的快速降低。由于有机质短期内大量被埋藏,势必影响到全球碳循环,导致有机质不能被氧化,碳没有直接返回到大气中,继而引起大气CO2含量降低,促使温室效应的减弱。大洋缺氧事件是地球熵流的表现形式,由它产生的各种现象(如同位素负偏和黑色岩系等)的熵为负值。大洋缺氧事件发生是地球物质参与各种地球化学作用,始终在运动之中,将同位素的共生组合、赋存状态和分散状态分别看作是特定条件下开放地球化学系统所处的非平衡定态的质和量,而将集中状态和共生组合、赋存状态的相应变化视为系统的局域扰动触发定态失稳的结果。因而可以应用开放系统非平衡定态稳定性对于扰动的动力学响应的理论,对系统物质的质量和数量作动力学分析。2.3古环境对系内磁场的调制作用在白垩纪期间,地球磁场很长时间维持正极性(即和现在的地球磁场极性相同),被称之为白垩纪超静磁带(CNS),。古地磁学家从不同角度对CNS进行了研究,确定了CNS持续时间近40Ma(距今121~83Ma期间)。地球磁场在这么长的时间里没有发生倒转引起了科学家的广泛关注。超静磁带事件是地球熵产生的表现形式。起因于地幔对流的热通量横向变化可以控制地核内流体运动状态,并足以产生现今观测到的地磁变化,进而影响地磁极性倒转频率。地磁极性倒转周期与地幔对流时间尺度的一致性可能说明了前者受到后者的调制作用,这正是白垩纪超静磁带出现的原因。有学者认为中生代以来地磁极性倒转频率的变化与地球磁场强度的变化之间存在负相关性.这可能意味着核幔相互作用和外核流体运动处于低能态时,地球磁场的稳定性增强。根据地磁极性倒转活跃期与平静期的差别,认为超静磁带与大地幔柱和强地磁活动相伴随;地磁极性倒转频率较低的时代与低地幔热通量相关;稳定的发电机过程(不发生倒转)需要地幔的高热通量存在。白垩纪超静磁带的发生,可能表明核幔相互作用和外核流体运动处于能量最低的状态。另外,有关地质证据表明,在距今121~83Ma期间,无直径超过1km的外星撞击地球引起地磁极性倒转,这可能是白垩纪超静磁带出现的原因之一。在地球发展历史中,地磁极曾发生了多次随机倒转,其间的时间间隔不尽相同。混沌运动的自逆转特性可以很好地模拟地球磁场的随机倒转。应用耗散结构与混沌理论解决地磁极随机倒转是一条非