地球科学原理之二十一岛弧火山的形成机制

cqg1985 · 发表于 2011-5-31 15:35

上一回我们讨论了岛弧处双层地震带的形成机制，现在，我们继续讨论岛弧处的火山形成机制。

1 对岛弧火山作用的解释和分析

贝尼奥夫带，除有双层地震带、地震带间断这些重要特征外，还有一个重要特征，那就是绝大部分贝尼奥夫带，都不是标准曲线或弧线，它们都有一个或多个折曲（见图5-图8）。即在这个折曲前，贝尼奥夫带和海平面的夹角（倾斜角）往往较小，一般在30度以内，而在这个折曲后，倾斜角急剧增加，可达70度或更大（见图5-图8）。尚没有火山线形成的贝尼奥夫带，这种折曲不太明显，有火山线出现的贝尼奥夫带，这种折曲相当明显。往往是，这种折曲越是明显，火山作用越是强烈。火山线，也往往形成于这种折曲于地面的垂线处或附近。这说明，这种折曲，与火山形成有关。到目前为止，贝尼奥夫带的这种折曲及火山现象，也是板块构造学说的理论难以解释的问题。但用地槽学说和地球均衡说，却能很好地解释。

图5 千岛-堪察加弧的贝尼奥夫带（陈永生和李自安，1998）的折曲. SL，海平面(Sea level)；T，海沟(Trench)；VL，火山线(Volcano line)；“○”，地震中心。

图6 马里亚纳弧的贝尼奥夫带（陈永生和李自安，1998）的折曲. SL，海平面(Sea level)；T，海沟(Trench)；VL，火山线(Volcano line) ；“○”，地震中心。

图7 新赫里布里底群岛弧的贝尼奥夫带（陈永生和李自安，1998）的折曲. SL，海平面(Sea level)；T，海沟(Trench)；VL，火山线(Volcano line) ；“○”，地震中心。

图8 汤加-克马德克弧的贝尼奥夫带（陈永生和李自安，1998）的折曲. SL，海平面(Sea level)；T，海沟(Trench)；VL，火山线(Volcano line) ；“○”，地震中心。

下面，我们应用地槽学说和地球均衡学说，来具体分析贝尼奥夫带的折曲和火山的形成过程。地壳下的地幔，除软流圈外，为固态。但是，地幔呈固态，是因为地幔处于地壳下的高压状态而形成的。那就是说，若固态的地幔，当其压力变化时，它的固态性质也会变化。当压力下降时，它和软流圈一样，同样可以转化为液态。至少它有这个潜力。不像地壳，不管你压力变大或是变小，只要不低于大气压，它都会表现为固态。所以，地壳下的软流圈和地幔，相对地壳来说，在特定的情况下，都有很强的液态性或液态潜力。这可能就是固态的地槽两壁地壳得以在软流圈或地幔里运动，并向岛弧下折叠的主要原因。

冰川消融后，原冰下岩石圈冰后反弹性上升。地球的体积缩小，产生切向挤压力。在这个切向挤压力作用下，地槽得以形成。靠这个切向挤压力的作用，地槽底部得以向地幔深处下插并得以向岛弧下倾斜。当某处出现重力正异常时，地球的均衡作用，就可以看成是重力作用。由于重力作用，有重力正异常的区域，将逐渐下沉，直至重力正异常消失为止。当某处出现重力负异常时，地球的均衡作用，就可以看成是地幔对地壳的浮力作用。由于地幔的浮力作用，有重力负异常的区域，将逐渐上升，直至重力负异常消失为止。

一旦冰后反弹停止，地球的收缩停止。地球的收缩停止，地球的切向挤压力作用也停止。由于地球形成初期的重力分异作用(Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Tolstikhin and Hofmann, 2005)，构成地球物质的比重，是随着深度增加而增加的。越是表层的物质越轻，越是深处的物质越重。海洋壳，是由洋中脊下软流圈的岩浆冷却形成的。洋中脊下的岩浆形成时，也肯定得遵循岩浆熔融原理，即最先或最可能形成岩浆的物质，是那些最易熔融的物质。而那些含二氧化硅比率较高的硅酸盐岩，较易熔融。所以，最有可能形成岩浆的硅酸盐，是那些含二氧化硅相对较高的岩石。而含二氧化硅比率较高的岩石，往往是较轻的岩石。所以，形成岩浆的硅酸盐，往往是那些能形成岩浆的软流圈处最轻的硅酸盐。所以，由海洋岩石圈下最轻的硅酸盐冷却而成的地壳，虽然比重比大陆壳大，但其比重应比海洋岩石圈下的软流圈物质小，至少比深处的软流圈或地幔物质小。由于比重小的地壳，下插入比重大的软流圈或地幔中，软流圈和地幔将对其产生浮力，即地球的均衡调整作用。在这个浮力作用下，倾斜的贝尼奥夫带将上升。贝尼奥夫带的上升，将牵带着和它相连的岛弧岩石圈一道上升。由于岛弧岩石圈的上升，岛弧岩石圈下压力将下降。由于压力下降，岛弧下的软流圈物质将因降压而液化形成岩浆。当贝尼奥夫带上升到一定程度，上升的岛弧地壳和未上升的岛弧地壳之间的弯曲超过其承受度，迫使其断裂。断裂下的岩浆因压力而喷发出地面，形成火山喷发。由于火山作用，地内大量热量被带至表层，造成岛弧大陆侧热变质作用。由于海洋侧在切线挤压力的作用下不断受到挤压，造成海洋侧的压性变质作用。因为大角度、近垂直于地表的大倾斜，有利于力量的转输；而下插入软流圈或地幔的深度越深，软流圈或地幔的比重越大，软流圈或地幔对贝尼奥夫带的浮力越大，所以，在大倾斜上方的岩石圈隆升得越快越高。形成的负压腔越大，降压形成的岩浆物质越多，越有利于火山的形成。所以，火山线，总是位于大折曲的大倾斜贝尼奥夫带的上方或附近区域。

由于贝尼奥夫带的上升，造成岛弧的上升。由于岛弧的上升，就造成岛弧对弧前（海洋侧）和弧后（大陆侧）的岩石圈的向上牵拉，在这种牵拉力的作用下，就形成拉张型弧后盆地。这就是弧后拉张盆地形成的原因。这也是造成弧后盆地部分岩石圈断裂，甚至引发洋底小规模玄武岩岩浆上涌的原因。

贝尼奥夫带这种地槽的形成和其它地槽的形成，造成地壳上插，是位于地球表层的地壳向地球内部混合的一种重要方式。由于区域性的地壳和地幔的不均匀混合，造成地壳和地幔的区域性变化，这是造成地壳及上地幔各向异性的主要原因。在地槽下插不能达及的区域，就不会再有这种表层物质向地球内部的混合，内部地幔，也就不会再有各向异性存在，就表现为各向同性了。

因为岩石的传热性能较差，地壳在地球内部表现为固态刚性。而地壳以内的物质，不同程度地存在着液态性质或潜力，所以，地壳内物质，在这种地槽形成和演化对地幔的扰动中，在不同程度上都可以体现出其液态流动性。这也是这种地槽作用得以实现的一种前提。若软流圈物质及更深处的地幔物质没有这种流体性，地槽就不会或难以向岛弧下偏移；就算发生了偏移，地槽也难以向岛弧下折叠。若没有偏移发生，岛弧处的地槽，也就是一种普通地槽，也不会有岛弧的抬升，仅只会有地槽的后期隆升而已。没有地槽向岛弧下的折叠，就不会有岛弧特有的火山线的出现，也不会有弧后拉张盆地的出现。当然，若软流圈和其下的地幔没有这种应有的流体性的话，软流圈和其下的地幔，也就不会对地壳或岩石圈产生浮力；也即地球不会有均衡调整作用了。既然地球对重力正、负异常都具有一定的均衡调整作用（如冰后批弹），这就说明，在比较大的时间尺度上，地球的软流圈和地幔的确具有一定的流动性。只要软流圈及其下的地幔具有一定的流动性，岛弧处这种特殊地槽的形成和演化就能得以成立。

2  板块及大陆的演化趋势

板块在洋中脊处形成，在岛弧处转化为地槽而折褶加厚成山或陆地。海洋板块并没有沉入地幔而消失，而是通过地槽作用不断转化为山脉或大陆。板块只是地球演化过程中的不同阶段中的海洋岩石圈（海洋板块）或大陆岩石圈（大陆板块）的表现形式，它只表示一个板块演化阶段。如现有的板块，只表示侏罗纪以来的一段地球表面阶段性现状。板块是不断变化的，薄的海洋板块，通过地槽作用不断加厚，最终转化为大陆板块。

当然，当地壳位于高温高压的地球内部太久，在地内压力和温度的综合作用下，也有可能被熔融而丧失固态性。这可能就是随着时间的推移，山根最终会不断缩短的原因。地球表面的风化作用，将不断剥蚀山脉，使山脉不断变矮。由于山根的不断缩短和地球表面的风化作用使山脉变矮的共同作用，古老的山脉，最终会变矮变低而成平原；古老的大陆，也将会变得越来越薄。这可能就是古老大陆板块为什么总是比新大陆板块薄的原因。

由于贝尼奥夫带上方的大陆或岛弧岩石圈不断剥蚀，贝尼奥夫带上方的岩石圈将越来越薄。当覆盖在贝尼奥夫带上方的岩石圈完全被剥蚀掉，就会露出深埋在其下方的贝尼奥夫带岩石圈来。而残留在古贝尼奥夫带上的部分上盖岛弧或大陆岩石圈（推覆体），就成了飞来石或飞来峰。这就是地质学界常说的推覆构造。如阿尔卑斯山、喜马拉雅山和天山等造山带，都发育了大量的推覆构造。因为贝尼奥夫带可长达几十公里至几百公里，所以，有些推覆体的水平推覆距离，可达几十公里至几百公里。这也说明，如阿尔卑斯山、喜马拉雅山、天山等高大山脉的形成，往往与贝尼奥夫带的形成有关。

贝尼奥夫带的双层地震带的存在、贝尼奥夫带的弯折和火山喷发关系的存在、地球均衡调整能力的存在及岛弧处地槽作用对岛弧很多地质现象的合理解释，都说明岛弧地槽假说具有一定的正确性，也说明我们的冰川地质作用的理论具有正确性。

到此，我们讨论完了第二章：冰川的地质作用及其证据，下面，我们将讨论第三章：地球的去气作用和地球演化过程中的化学平衡。我们先来看看地球去气作用。地球形成早期具有怎样的演化过程？地球的大气是怎么形成的？且听下回分解。

未完，待续。

下回预告：地球科学原理之22  地球的起源及早期演化

参考文献：

陈永生，李自安.  地球形成与演化的一种新说法. 北京：石油工业出版社. 1998：13-79

Hanks T. C., Anderson D. L. The early thermal history of the Earth. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1969, 2: 19-29

Ringwood A. E. Some aspects of the thermal evolution of the earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 20: 241-259

Tolstikhin I., Hofmann A. W. Early crust on top of the Earth's core. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 2005, 148: 109-130

（注：本“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）