对地幔对流的置疑

第23卷第2期2003年5月

大地测量与地球动力学

J OU RNAL OF GEODESY AND GEOD YNAM ICS

Vol.23,No.2

　May,2003

文章编号:167125942(2003)022*******对“地幔对流”的几点质疑Ξ

池顺良1)　骆鸣津2)

1)鹤壁市地震局,鹤壁　458000

2)河南省地震局,郑州　450000

摘　要　地幔对流被认为是板块运动的驱动力源,但板块说提出35年来,始终未能阐明地幔对流是如何推动板块运动的,也未能证明地幔对流的存在。相反,却有观测与实物证据证明地幔对流并不存在。对地幔对流提出的质疑与剖析,将有助于地球动力学研究思路的扩展。

关键词　地球动力学　地幔对流　能源　大陆根　金刚石

中图分类号:P541 文献标识码:A

MANT L E CONVECTION:DOES IT EVER EXIST

Chi Shunliang1)and Luo Minjin2)

1)Seismological B ureau of Hebi City,Hebi　458000

2)Seismological B ureau of Henan Provi nce,Zhengz hou　450000

Abstract　It is believed that mantle convection acts as the driving force of plate movement,but any evidence of mantle convection has yet not been found.On the contrary,more and more evidences show disproofs of mantle convection.Research on this argument will help the development of geodynamics.

K ey w ords:geodynamics,mantle convection,energy source,continental root,diamond

1　前言

地幔对流概念是英国爱丁堡大学的霍姆斯(A. Holmes)为寻找大陆漂移说的原动力,于1931年提出的。地幔对流假说当时并没有引起人们的注意,甚至霍姆斯本人也认为这种为适应特别需要而虚构的推测,在得到独立的证据支持之前是没有科学价值的。

但在大陆漂移假说发展成海底扩张假说以及最后形成板块构造学说的过程中,地幔对流假说起了重要的桥梁作用。魏格纳的大陆漂移说之所以陷于困境,就是因为魏格纳始终提不出大陆漂移的动力来自何处。对海底扩张—板块构造新学说,能否说明运动的动力来源,仍然是新理论能否成立的关键。正是“地幔中尤其是软流圈中可能存在地幔对流”的观点,为板块构造理论的建立打开了通道。

板块构造理论作为当前占主导地位的大地构造学派,尽管得到大多数地球科学家的认同,但这个理论确实在许多方面存在疑问,尤其驱动力源问题一直是板块学说的未解之谜。地幔对流被认为是板块

Ξ收稿日期:2002-06-21;修回:2002-10-15

基金项目:中国科学院动力大地测量开放实验室基金资助

作者简介:池顺良,男,高级工程师(教授级),1940年生,1963年毕业于同济大学,主要从事钻孔应变仪器研制、地壳应变与应变固体潮观测、大地构造与地球动力学研究

运动的驱动力源,但板块说提出35年来,始终未能阐明地幔对流是如何推动板块运动的。在继续研究地幔对流的同时,对其提出质疑与批判性的剖析,无疑将有助于地球动力学与大地构造学研究思路的扩展。

能量守衡定律是重要的自然定律,是人们寻找物质系统演化规律及动力来源的有力工具。从大地构造运动能量平衡的角度来看,推动地壳运动(地震、火山等活动)的驱动能源每年至少需要5×1018J (地震每年平均释放的能量)。地球内部任何一种能源,如果每年释放的能量少于该数量,就不可能成为地壳运动的驱动能源。在地球内部各种能源中,只有地球内部的热能和地球的自转动能每年的耗散量大于此数值(大1～2个量级)[1]。因此,按照供给能源的不同,地球动力学理论可以分成两类:一种是以地球内部热能为主要驱动能源的“热动力学理论”;另一种则是以地球自转动能为主要驱动能源的“机械动力学理论”。当前地球动力学研究,集中在“热动力学理论”研究领域,其主要内容是探讨地幔在热力驱动下如何发生对流,推动板块构造运动。

对“热动力学理论”的研究发现,从该理论中不能导出地壳运动现象与地球自转和纬度分布有关的结论。但我们却有确凿的证据说明大地构造运动与地球自转有关,如两极地区缺少地震活动就是地壳运动与地球自转有关的佐证。而以地球自转能为能量来源的“机械动力学理论”必然导致地壳运动与地球自转和纬度分布有关的结论。此外,由下述分析可知,在地球内部,“地幔对流”很可能并不存在。

根据行星起源演化理论,行星是星际尘埃和星子物质吸积凝聚而成。随着放射性热和吸积碰撞热的积聚,行星物质中,比重大的铁镍物质向中心集聚形成星核,比重较轻的物质向表面移动,形成星幔和星壳。重力分异与对流是两种不相容的物质运动过程。地球物质在长期重力分异下形成化学分层,而经重力分异形成的化学分层间是不能形成对流的。

此外,地幔对流说要求热源应当在对流地幔的底部加热,而不能在顶部加热。加热的热能来自放射性物质的热能。但“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”。其原因是经重力分异的作用,放射性亲石元素被带向地表。从地表到地球中心放射性物质急剧减少。地壳中放射性元素的含量比地幔中要大2～3个数量级[1]。从放射性元素分布看,也能说明地壳未参与对流而重返地球内部达到放射性元素分布的均匀化。

20多年前,我国一些地质学家就批评“对流”说,指出舍地球自转的实际而追求地幔对流的设想寻找地壳运动的推动力是不明智的[2,3]。地球科学不能将寻找大地构造运动动力来源的希望全放在地幔对流机制上。

解决地幔对流存在与否的不同学术观点之争,最好的办法是寻找直接的观测证据或实物证据。

2　否定“地幔对流”观点的观测证据———大陆根

在板块构造提出的同时,大部分地球科学家认为,只有地幔对流机制可能成为板块运动的原动力。因此,地球物理学家们希望能直接观测到地幔对流图像。这方面最重要的努力是三维地震层析成象的研究[4,5]。

但是,已获得的地震层析成像资料没有地幔中存在层状对流的证据。体波或面波层析图上都看到高波速的大陆根存在,反映波速扰动大于2%的高速体位于各大陆下方,深达40km以上。大陆具有深达400km的“壳根”,表明地球缺乏完整的软流圈,使大地构造运动难以纳入地幔对流模型。

近20年来地震层析提供了丰富的地球内部信息,但这些数据在地球动力学解释中无法与板块构造结合以说明板块运动的动力来源,相反,观察到的图像反而使人更加怀疑对流的存在。正象有些地球物理学家所说的,“要为板块构造和地球动力学,要为诸如大地构造和地幔对流这样的问题提供直接的地震学证据将是一个长期的目标”[6]。“至于如何把大地构造运动和岩石圈板块运动纳入对流模型之中,对地球科学更是一个巨大的挑战”[7]。

1984年,第一幅地幔地震层析成像图发表,就发现了所有古老大陆地盾下方存在高波速的“大陆根”,高波速区一直延伸到400～500km深度。这一观测图像明显无误地表明:以100～150km深的软流圈上边界为对流上边界的“地幔对流”模型是错误的。至少,这种对流不能出现在古老大陆地盾的底部。为此,美国著名地球科学家Lowman在得知大陆根现象的次年,发表了《大陆固定的板块构造理论》,表明他对存在推动大陆运动的地幔对流概念的怀疑[8,9]。

3　否定“地幔对流”观点的实物证据———金刚石

天然金刚石,特别是大颗粒金刚石(d≥2mm)主要产在金伯利岩和钾镁煌斑岩中。多年来人们一

801大地测量与地球动力学23卷

直认为金刚石是金伯利岩中生长的斑晶。1977年, Kramers对南非Finsch和Premier矿山金刚石中的硫化物包裹体的年龄测定,获得了大于2000Ma的模式年龄,而金伯利岩侵位于90Ma。1984年, Richardson测定了K imberley和Finsch金刚石中石榴石包裹体的Rb-Sr和Sm-Nd模式年龄,均为太古代(3200～3300Ma)结晶产物,它们的寄主岩侵位于中生代。这些成果使人们认识到金刚石是生长在岩石圈地幔和软流圈地幔中的,属古老地幔结晶,而岩浆只起了运载工具作用。这一观点获得了有力的证据,并得到了广泛的认可[10～12]。

因此,金刚石作为来自上地幔源的捕虏体,开始形成于古上地幔环境,并长期位于地幔环境中生长,它在数十亿年长期生长过程中捕获的包裹体中包含了关于地幔环境条件的丰富信息。金刚石是最硬的矿物,加上金刚石本身的化学惰性,是携带地幔流体和包裹体成分到地球表层最好的矿物和“信使”,是提取地幔长期历史信息的最佳信息载体。

金刚石在生长过程中,由于环境压力、温度、氧逸度以及碳饱和程度的改变,导致杂质和晶体缺陷在晶体中的不均匀分布而形成环带构造。这种环带构造为研究金刚石生长环境的变化提供了可能。金刚石生长和熔蚀的所有阶段均可在环带构造中见到,包括晶体的成核点、形态的逐渐变化、不同环带物性的变化等。通过对不同环带形态的研究可以了解金刚石的生长环境相态。

金刚石不同环带包裹体中的共生矿物对可用来计算金刚石生长温度及压力的变化。Bulanova用Ellis和Greend地质温度计对Yakutian金刚石不同环带生长的温度进行推算,结果表明环带从中心到边缘,其形成温度从1250℃下降到1190℃。对有关金刚石硅酸盐包裹体的地温压力测定表明,大多数金刚石形成于温度为1000～1300℃、压力4～6 GPa,即150～200km深度的环境中。少数有可能形成于300～450km深处。金刚石流体包裹体中石英子晶的红外吸收光谱表明,金刚石微流体包裹体室温下的压力为1.5～2.1GPa,相当于地幔温度1000～1300℃条件下4～7GPa(相当于150～230 km深度)。该温压条件在金刚石的稳定区域内,表明金刚石中的流体包裹体是在其生长时捕获的[13]。

对金刚石包裹体中的矿物相平衡研究发现,金刚石生长的地幔物相包括熔体相和挥发相,表明金刚石的形成环境已进入地幔物质发生部分熔融的上地幔软流层。大颗粒天然金刚石的形成经过数十亿年时间,在此漫长的地质时间中,金刚石中记录下的环境温度和压力的变化却很小,说明金刚石是在相对固定深度的上地幔中经长期生长而生成的。

金刚石的分布是相当广泛的。世界天然金刚石主要产于澳大利亚、扎伊尔、博茨瓦纳、南非、塞拉利昂、巴西、西伯利亚、印度、婆罗州、中国(山东、辽宁、湖南)、美国等地。这些产地往往围绕在太古宙克拉通周围的古、中元古活动带中。活动的大陆地壳造成的深大断裂深达上地幔,打通了上地幔与地表间的通道,使上地幔岩到达地表,天然金刚石才能被我们找到。看来,在岩石圈和软流圈地幔中有一些含金刚石的层位,只要产生深达上地幔的深大断裂,巨大的压力将地幔岩和金刚石一同带到地表。这些到达地表的金刚石样本,告诉了我们一个重要的信息:它们大多数在相当长的时间内(2000～3000Ma)生长在一个相对稳定的温度(1000～1300℃)和压力(4～6GPa)环境中。也就是说,在2000～3000 Ma的长时间中,金刚石安静地待在150～200km 或更深的上地幔中,慢慢地生长。

地幔对流说是作为板块运动的驱动机制而提出来的。但是至今,到底是板块驱动了地幔对流(主动板块说),还是地幔对流驱动并维持了板块运动(被动板块说)?迄今仍无定论。

现在,研究地幔对流的学者认为,在地幔中既存在全地幔范围内的大尺度对流,也存在上地幔小尺度(二级)对流和局部的层状对流。Morgan、Def2 feys、Loper、Olson、丸山茂德等人还提出了“地幔羽”、

“超级冷、热地幔柱”等新的地幔物质运动驱动板块运动的驱动机制。

在将地幔对流、地幔柱等观点用于具体大地构造问题的研究中,又进一步发展出超级大陆的会聚、超级大陆裂解、地幔热柱与岩石圈减薄、岩石圈拆沉、地幔会聚、超级冷地幔下降流等概念。呈现在我们面前的是一幅地幔物质高度活动的图像,地幔物质不仅在水平方向,也在垂直方向上大幅度运动。由于莫霍面以下地幔物质的决定其流变性的粘滞系数并无量级上的差别,在这样一幅地幔活动图像中,难以找到一处地方能够在数十亿年中是静止和稳定的。

既然板块构造理论认定了这个体系的驱动机制要到炙热的地球深处去寻找,整个地幔物质如煮开的粥似地翻腾正是这个理论体系的必然结果。

但是,关于金刚石的生长史,显然与流行的地幔对流理论或超级地幔柱设想严重冲突。由于各种地幔对流理论都以岩石圈底部为流动的上边界,加之地幔物质的高粘滞性,位于岩石圈地幔和软流圈地幔中的金刚石颗粒必然会被设想中的对流卷入对流体,并被带到深地幔中。

901

　第2期池顺良等:对“地幔对流”的几点质疑

地幔对流的提出本身来自大陆漂移或板块运动动力机制的要求。对流的地幔拖拽着岩石圈底部,将板块推动,地幔下降流除了将密度很轻的“大陆残渣”留在地表外,其余物质将一股脑地卷入到地幔深处。由于现在的地幔对流说并未提出对流的具体格局,也未明确对流上边界的位置,关于金刚石能否找到一个稳定的生长环境,也许仍会有争论。显然,对产于各地的大颗粒天然金刚石更多地进行年龄、温压、生长史的测定具有重要的科学意义,虽说这样的测试代价不菲。

从有关金刚石及其它方面的资料来看,一个相对稳定的地幔可能是我们地球状况更为真实的描述。当然,这样不“翻腾”的地幔将不能对板块构造提供足够的驱动力,人们需要寻找热力之外的驱动力。地球自转能向地壳运动能的转化,不象地球内部热能转化需要地幔的“翻腾”,因而能提供大颗粒天然金刚石生长需要的相对稳定的环境。

矿物学家在研究天然金刚石起源时所获得的信息,为地球动力学中最令人困惑的“地幔对流”究竟是否存在这一重大问题提供了重要的实物证据。

大颗粒天然金刚石作为上地幔3000Ma来一直未参与对流的实物证据,宣告地幔对流并不是地壳运动可以依靠的动力来源。

4　结语

当前,地球科学家对地幔对流的兴趣,有些类似于19世纪末20世纪初物理学界在太空中寻找“以太”的情景。当时,物理学家依据牛顿定律的绝对时空观,认为太空中充满了被称为“以太”的物质。但是,各种精密设计的物理实验都未能观测到“以太”的存在。在地球科学领域,“地幔对流”似乎就象“以太”一样,板块运动需要“地幔对流”的存在,但是,从霍姆斯提出“地幔对流”假说至今已过去了70年,从板块理论创立至今也已过去了1/3世纪,仍然没有确实的证据证明地幔对流的存在。相反,倒是有一系列证据说明“地幔对流”很可能是虚幻的。

正当经典物理学家们为寻找“以太”费尽心机时,爱因斯坦通过对时间-空间概念的深刻剖析,摒弃了陈旧的“以太”观念,建立了新的时空观———“相对论”。在新理论中,“以太”是不必要的。

将“热动力机制”作为地壳运动的原动力是这一问题的症结所在,将寻找地壳运动驱动能源的注意力从地球内部的热能转向地球的自转动能,上述矛盾将自然得以解决。当然,与此相关的许多重大问题都将重新加以检验与考虑[14]。

R eferences

1　Zhen Rongsheng.Introduction to geophysics[M].Beijing: Science Press,1984,132,415.(in Chinese)

2　Li Shiguang.Structure and movement of the earth’s crust [J].Science in China,1973,3(4):400-429.(in Chinese) 3　Zhang Bosheng.Corpus of Zhang Bosheng[M].Xi’an: Shanxi Science&Technology Press,1989,181-189.(in Chinese)

4　Dziewonski A M and Anderson D L.Seismic tomography of the earth’s interior[J].American Scientist,1984,72(5): 483-494.

5　Dziewonski A M and Woodhouse J H.G lobal images of the earth’s interior[J].Science,1987,236(4794):37-48.

6　Liu Futian.The research situation and a prospect on the three dimensional velocity structure[J].Acta G eophysica Sinica,1991,34(6):788-796.(in Chinese)

7　Hong Hanjing.Mantle convection and geodynamics[A].Xi2 ao Qinghui,et al.Frontier of geological sciences[C].Bei2 jing:China University of G eosciences Press,1993,130-135.(in Chinese)

8　Lowman P D,J r.Plate tectonics with fixed continents:a testable hypothesis-1[J].Journal of Petroleum G eology, 1985,8(4):373-378.

9　Lowman P D,J r.Plate tectonics with fixed continents:a testable hypothesis-2[J].Journal of Petroleum G eology, 1986,9(1):51-85.

10　Richardson S H,Gurney J J,Erlank A J,et al.Origin of di2 amonds in old enriched mantle[J].Nature,1984,310:198 -202.

11　Mitchell R H.K imberlites and lam proites primary sources of diamnod[J].G eoscience in Canada,1991,(18):1-16. 12　Lu Fengxiang,Zheng Jianping and Chen Meihua.Discus2 sion on formation condition of diamnods[J].Earth science frontiers,1998,5(3):125-132.(in Chinese)

13　Xiao Huayun,Liu Congqiang and Huang https://www.wendangku.net/doc/973526980.html,rma2 tion of old mantle from inclusions in diamonds[J].Advance in Earth Sciences,2001,16(2):244-250.(in Chinese)

14　Chi Shunliang and Luo Mingjin.The origin of continents and oceans[M].Beijing:Seismological Press,2002.(in Chinese)

011大地测量与地球动力学23卷