中深源地震、大洋中脊体系成因及大陆从海中生长

                        池顺良

一. 内波说关于中、深源地震成因的解释

和达、贝尼奥夫发现了在洋壳与陆壳交界地带倾斜分布的地震震源带。目前都把它当作板块俯冲带的重要证据，也用来解释大部分深震的成因。

但是，当把同样的思路推广到地中海和阿尔卑斯及高加索等近代地槽活动区深地震的解释时，有时需要在不大的区域中引入好几条俯冲带。在阿尔卑斯活动带，高加索北部地区的深震活动，形成宽度极大的震中带，试图划出深震密集发生的某种倾斜面是不可能的。这里的深震活动与活动地壳的构造类型关系密切，与新构造活动表现出的横向大地构造带状分布有关。

内波说对和达一贝尼奥夫带与近代地槽活动区深地震的发生是这样解释的。在地槽活动的讨论中，我们的注意力放在莫霍面上方地壳物质的运动上。其实，莫霍面波动，不仅推动上方地壳的变形，还要引起莫霍面下方上地幔物质发生大规模迁移与变形，影响深度可达数十到数百公里。（图1）

图1a）地槽沉降前平坦的地形和等厚的地壳。为追踪地幔变形，地幔中标出四条迹线。

图1b）莫霍面内波生长，莫霍面两侧壳、幔物质相向“易位迁移”。红点区集中了移来的地壳底部物质；兰点区集中了移来的上地幔物质。地壳与地幔都发生了弯曲变形。

图1b）莫霍面内波继续生长。地壳变形加大；上地幔变形也同步增大。在上升－下降的转折区，形成剪切带。当剪切变形速率超出地幔物质能承受的速率时，就发生中、深源地震。

图1.显示，莫霍面内波生长不仅地壳发生变形，同样也引起下方地幔物质变形。尤其到地槽回返期，原先的沉降区快速回返隆起，地幔物质的变形速率更高。近代地槽活动区，在山脉下方上地幔中发生的地震就是莫霍面下方上地幔物质发生大规模迁移与变形，当其变形速率超过极限值时发生的地震。

帕米尔、兴都库什地区，震源深度通常在200-250公里；喀尔巴阡山弗朗恰地区的震源深度可到180公里；北地中海最深的地震发生在第勒尼安海东南部，最深达到480公里。这些地方正是发育了新构造运动（阿尔卑斯运动）的地区。

在地槽活动带中，多个沉降、隆起带平行排列，往往形成多条剪切带，深地震的分布就显得分散。而在海陆交界地带，一侧沉降，另一侧隆起，因而形成巨大而单一的和达一贝尼奥夫剪切构造带。在洋壳和陆壳的交界地区，伴随深海沟沉降和岛弧隆起，上地幔物质发生相应流动，在上升与下降的交界地带形成剪切变形带，当变形运动速率超过上地幔物质允许的最大剪切变形速率时就发生粘滑而引起地震。强烈沉降的深海沟接受大量沉积物负载，急剧隆起的岛弧因剥蚀而卸载，形成剪切带，剪切变形可以影响到数百公里的深度。（图2）

图2. 海陆交界带，陆壳抬升、海沟下沉，地幔中形成规模更大的剪切带

    “潮波驱动力”与莫霍面斜率成正比。莫霍面斜坡带正是潮汐动力的发源地。地球上最大的莫霍面斜坡带在海陆交界地区，海陆交界区就成为大地构造运动最活跃地区。岛弧与海沟是地球上构造运动最强烈，构造变形速率最大的地区，如日本一些地方垂直上升速率达到38mm/a，比中国大陆地壳活动区垂直运动速率几乎高一个数量级。也就是在这样的地方，上地幔内才会出现深达数百公里的剪切带。

二.大陆从海中生长及硅铝质陆壳的形成

我们用莫霍面内波运动解释地槽演化。莫霍面是全球性界面，如果内波过程确是大地构造运动的主导因素，那么应该也能解释大陆生长及海陆起源问题－两者间的区别只是波长不同而已。

    地槽演化可以看作内波运动的短波过程，运动涉及的区域和范围较小，在二维直角坐标中的数值实验已可表现出运动的基本特性。大陆生长及海陆起源问题显然属于内波运动的长波过程，对长波运动的研究及内波生长的模拟，应该在球面坐标系中进行。由于作者的能力所限，我们尚未进行此类模拟。这里只能作文字叙述。

    数十亿年前，原始地球由于重力分异，形成了密度分层的地壳、地幔及地核。此时大气与水圈大约已经形成。起初，由地幔中分异出来的玄武岩构成的地壳物质还较少，地壳较薄，地球上是一片汪洋。

    随着分异过程的进行，地壳逐渐增厚。当厚度增大到一定程度，按当时的地热增温率，地壳底部的温度升高，岩石的粘滞系数降低，蠕变率增大。此时，莫霍面两侧的下地壳和上地幔物质便具备了迁移的条件，在潮波驱动力推动下，波动过程以随机分布在壳-幔界面上的一些扰动区域为中心开始发生，生成一些不大的地壳加厚区。由于分异出来的地壳物质的数量还少，所以，没有太多的地壳物质可以集聚，这些加厚区域只是成为海盆中的一些水下高地。在水下环境中，地形可以很好地保存，波动的扩展由于成波作用力与已形成的波的重力恢复力之间的平衡而减慢了速度。

    逐渐，地球内部析出更多的玄武岩浆，原始地壳得到更多的物质补充，一些地方的地壳变得更厚，海底高地终于露出水面，成为最初的陆岛，星星点点地分布在原始大洋上，既有随机性，又有总体上的均匀性。

    陆地出露海面后，大气的风化、剥蚀、搬运便成为另一种重要的动力学和物理化学因素在海陆演化中发生作用。陆岛上的岩石被风化、剥蚀。玄武岩中的辉石、黑云母、角闪石等铁镁矿物很容易分解。风化后，铁镁等元素形成可溶盐类流人海中。

    风化作用把海岛削平，地壳减荷，均衡作用又使陆岛抬升，这就破坏了潮波驱动力和已形成的波动的重力恢复力之间的相对平衡，使减缓了的波动过程继续进行。这样，大气剥蚀搬运的外动力地质作用成为促进地壳波动运动发展的重要因素。波动过程也扰动了下部上地幔物质，加速了地幔中玄武岩浆的分异，并垫托到陆壳底部促使陆壳加速生长。

    陆岛的面积不断扩大，从陆地搬运入近海沉积的物质也加入了地壳波动过程。这些物质由于淋失了部分铁镁成分，在元素组成上与玄武岩质的原始地壳已有差别。剥蚀沉积作用又将这些碎屑物质带入地壳深处并重熔。于是，它们就成为一种不同于玄武岩的，铁镁含量较少的岩石，可能是属于安山岩一类的新岩石。如果这些岩石被多次卷入地壳的波动运动，铁镁等元素大量淋失，硅铝的含量相对增高，就变成富硅铝质的花岗岩。大陆地区的岩石，尤其是上部10～15 km的岩石，大都经历了多次波动旋回，所以都已变成“硅铝质”地壳。但是，那些在最近一次地质旋回中才卷入此过程的洋壳物质，如环太平洋沿岸地区，这里的岩石区就显现为中性的安山岩质岩区。

    洋壳中风化作用微弱，洋壳保存了原始成分，仍然为“硅镁质”。

    根据地球化学资料，地壳中镁元素约占地壳物质总量的2%，有65×1016 t。全部陆壳中淋失的镁的总数约有9×1016 t，现在海水中溶解有约6×1016t，与硅铝质地壳的生成中淋失的镁元素量相当（维尔纳斯基，《地球化学概论》）。

    界面波的生长实质上是界面两侧物质运移的一种自激的正反馈过程：在莫霍面上方，越是地壳减薄的地方，地壳物质越是向四周移出而继续减薄；地壳越厚的区域，周围的地壳物质越是向它底下聚集而不断增厚。在莫霍面下方，越是地幔隆起处上地幔物质越是向此处集聚；越是地幔拗陷处地幔物质越是向四周移出。这样，地壳被赋予了类似宇宙尘埃或星子物质具有的自吸引功能，只是这种自吸引是定义在二维球面上而不是像星云的自吸引那样定义在三维空间中。

    巨厚的陆壳像有引力一样吸引四周能够迁移运动的地壳物质到自己底部。陆壳四周的莫霍面斜坡带成为壳下物质运移最活跃的地区。原始陆岛就像“星胚”吸积周围的尘埃物质一样，不断地“吸积”四周洋壳中富裕的地壳物质而长大；一些邻近的陆岛则合并成为较大块的陆地。由于构成陆地的地壳物质是从四周聚集来的，这些古陆块的空间分布自然显得比较均匀。

    处于薄洋壳与厚陆壳之间的陆缘地带正是莫霍面斜坡带，是波动过程最激烈的地区。大气剥蚀运来大量的陆地碎屑沉积，将浅海地壳压向深处。潮波驱动力又把此处地壳下部物质移向大陆中心，引起沉降、隆升的“地槽”活动，成为地球上最活跃的构造运动地区。陆壳的上部就像被反复地“耕犁”过，因而可以在地表找到各个时代的岩石。海底不像陆地容易受到剥蚀，无论是熔岩的漫溢还是大洋沉积的覆盖，总是新岩层盖在表面而显得年轻。

随着时间的推移，长波的作用越来越大。陆岛终于合并连接成为大陆。尽管发展过程中有各种偶然因素的影响，大陆的形状也不很规则。然而从整体分布上看，海陆的分布及古陆核的分布仍然具有一种规律性。随着时间的进展，长波部分或低阶球谐分量的比重越来越大，大洋和大陆终于呈现某种四面体分布——即低阶球谐分布。（图3）

 图3. 大洋和大陆呈四面体分布－太平洋在图的背面

从地幔中分异上升到地球表层的玄武岩物质，就这样在潮波驱动力的驱赶下，历时数十亿年，分别集聚形成了欧亚、南极、美洲、非洲、澳洲等大陆。正是厚陆壳具有从周围薄洋壳不断“吸积”玄武岩物质的能力，才使地球这颗为水圈包围的剥蚀作用极强烈的星球，历经数十亿年风雨沧桑，大陆不仅未被剥蚀殆尽反而能不断地生长、壮大，为高等陆生动物和人类提供了美丽的家园。

三. 全球大洋中脊体系的形成

20世纪中叶海洋调查发现了宏大的大洋中脊系统。这个构造系统的规模如此庞大，形态特征又特别显著，任何一种全球构造学说如果不能对大洋中脊系统的性质、特征及其形成机制作出适当的解释，就不能称为全球构造理论。

    大洋中脊系统在板块构造中充当了扩张带的角色，板块说假定扩张带两侧洋壳生成速率对称来解释中脊为何处于大洋的中间位置。但是，像对于三面被洋中脊包围的非洲大陆，该大陆边缘又无消减带存在，让洋中脊充当扩张带的角色是难于解释的。洋中脊地带发现古地层，则对洋中脊的海底扩张成因说提出挑战。

    内波说对大洋中脊系统的性质、特征及其形成机制的解释依靠波动过程的固有性质。这就是波动系统波节线的特征性分布。

    比如，一圆形或矩形弹性膜片，当受到敲击或其他激振因素发生振动时，总有某些部分的振动幅度等于零或很小，将这些点连接起来可连成连续的线条，物理上称其为波节线。波节线的位置与形状同弹性薄片的支持方式还有关系，但在很多情况下，波节线出现的位置是在薄片的中间部位。这很容易用简单的试验来证实。在一块振动的薄钢片上撒些细沙，振动较强烈处细沙被弹走，留下的细沙就聚在振幅小的位置上而显出波节线的存在。

弹性膜片的振动问题属于数学上可解得严密解一类问题。（图4)示出周边绷紧的正方形弹性膜片振动时几种波节线的形状。

图4. 正方形弹性膜片震动的波节线

(a)四种波节线的平面形状；(b)弹性膜片振动时的位移立体图

    再如，一个底部有些细沙、盛水的水盆，在受到振动或摇晃时，盆底的细沙会慢慢地聚集到盆的中央部位，在水盆中央形成一条沙脊。这又是一类关于振动及波动问题中的节线的实例。分析这种情况，细沙向盆中央集中的机制，无非由水的振动摇晃、水与盆底摩擦引起的效应等因素所决定，然而，严格的数学分析并非十分容易之事。

    大的问题，如银河系旋臂的形成，也可看作波动的节线问题。旋臂的位置是恒星与星际尘埃在引力密度波作用下密集的部位。

    类似的例子还可举出许多。在各种问题中，波节线形成的机制各不相同，但最终都有各自的特征图形或宏图，是物质系统波动运动的固有特征。在大地构造的内波理论中，大洋中脊系统的形成及其性质、特征是由下述过程来解释的。

    从地幔中分异上升到地球表层的玄武岩物质，在潮波驱动力的驱赶下，历时数十亿年，将地壳分化成了大陆与大洋，但地幔中还在继续分异出玄武岩浆。上升到大陆底部的玄武岩浆，增厚了大陆地壳的厚度。上升到海洋地壳底部的玄武岩浆，在接近大陆的部分，被大陆地壳渐渐吸积；但在远离大陆的地方，这些玄武岩浆就开始了与老大陆形成无关的新一轮波动过程。在大洋盆中进行的这新一轮波动过程同样由优势波长的波，首先形成波动构造开始。

    这新一轮波动过程与最初陆地从海洋中分化出来的波动过程的不同点是：其一，此时地球物质分异已经不是旺盛时期，提供不了大量玄武岩浆，这些波动只能形成一些海岛与水下高地。其二，此时大洋已经有了一个陆地边界。不在陆地吸积范围内，在洋盆集聚的物质，最后就在最远离陆缘的大洋中央部分聚成长波构造，形成了广布在大洋中央的全球性的大洋中脊体系。这些海水下的大洋中脊山脉，不受大气剥蚀搬运这另一种动力因素的干扰，波动过程比较单纯，因而发育得较为规则，地形特征得到长期保存。

梅德纳在1965年就发现，洋中脊相对于元古宙地盾要比相对于目前大陆边缘更接近于中央位置（图5），由此推测目前的大洋中脊体系可能形成于元古宙前。

图5. 洋中脊（实线）的全球分布

虚线为洋盆的中心位置，Menard在1958年论述了洋脊系统的中央位置，又于1965年指出洋脊相对于古老的大陆地盾要比相对于目前的大陆边缘更接近中央位置。图中黑色区域为古地盾位置。

 由上述大洋中脊形成模式可知，构成洋中脊的玄武岩物质是从广阔洋盆范围内上地幔上部亏损地幔分异的玄武岩浆运移、搜集聚拢在一起的。因此，取自同一洋盆不同地点的洋中脊玄武岩应该具有与该洋盆的平均化学成分相同的化学成分。岩石化学资料表明，同一洋盆的洋中脊玄武岩确实具有相似的地球化学特征及相似的源区条件，但不同洋盆洋中脊玄武岩间则存在某些区别。

海底扩张说与内波说的洋中脊形成假说机制不同，结论也不同。扩张说要求洋底都是年轻的；内波说要求洋底都是古老的。海底不像陆地容易受到剥蚀，无论是熔岩的漫溢还是大洋沉积的覆盖，总是新岩层盖在表面而显得年轻。真实的年龄要靠深钻和深入的海洋地质勘查。

更深入的洋底钻探与地质调查将对洋底年龄给出判决结果。