作者:池顺良 来源:科学时报 发布时间:2010-1-4 9:39:16
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苏文辉挑战“大陆深俯冲”:科学研究已进入大综合时代
 
2009年12月23日《科学时报》报道:哈工大凝聚态科学重点实验室苏文辉研究组近年陆续发表论文,提出柯石英形成新机制,挑战“地球板块折返”假说。
 
柯石英为二氧化硅的高压同质多形体矿物。1953年柯斯(Coes)首先在压力大于2.8G帕时合成柯石英。这一压力相当于地下90公里深度压力。1984年,乔平(Chopin)和史密斯(Smith)分别在西阿尔卑斯和挪威地表变质岩中发现柯石英。之后,我国地质学家也在大别山、阿尔金山、北秦岭等地榴辉岩中发现柯石英。
 
如果只有静岩压力能够提供柯石英形成所需的高压,自然会推想这些地表岩石曾进入深于90公里的上地幔。大陆深俯冲和折返机制研究成了地学研究热点(王清晨,1996)(李曙光,1998)。
 
但“大陆深俯冲”假说面对两个难题:一是需要合理解释轻质的陆壳物质如何能进入密度大的地幔中;二是柯石英在地幔中生成后,折返地面,随着压力的减小不可避免地会退变回石英。
 
对第一个难题,“大陆深俯冲”假说的解释是:陆壳是被俯冲的洋壳拖带进入地幔中的;对第二个难题,“大陆深俯冲”假说的解释是:“折返”是快速的,柯石英来不及变回石英。
 
显然,上述解释很牵强。
 
陆壳密度比上地幔岩小0.3,洋壳要拉着陆壳潜入上地幔就要克服地幔对陆壳的巨大浮力,洋壳与陆壳连接处必须能承受巨大的拉力不断裂才能将陆壳拉下去。
 
假设陆壳被洋壳拉着垂直下沉到100公里深,估算洋壳与陆壳连接处承受的拉力强度将达到每平方厘米3000公斤。完整花岗岩的抗拉强度仅数十公斤,更别说陆壳中到处是断层,根本不能承受拉力。若陆壳是被洋壳斜向拉入地幔,陆壳就会被地幔浮力抬起与洋壳剥离。“大陆深俯冲”假说从力学上看是不可能的。
 
研究表明,许多造山带经历了多次构造旋回。如大别造山带至少经历了宁晋、加里东、印支期三个造山旋回和三期高压、超高压变质作用(杨巍然等,1999)。这样,陆壳就要一次次被洋壳拖入地幔、折返地面。这样的动力学过程当然是令人生疑的。
 
“大陆深俯冲”假说附带了陆壳在数十万到百万年中“快速折返”条件。数十万年在地质学中是短暂的,但对晶体相变时间来说已经足够长了。“快速折返”设想本身又包含两方面疑难:1.有没有这样的快速折返力学机制;2.晶体相变理论和实验支不支持在压力降低后柯石英可保持数十万年不变回石英。
 
因为有这些疑问,“大陆深俯冲”假说提出后地质界就展开了论争。论争的焦点集中在2.8G帕压力是否只有在大于90公里深度才能出现。
 
吕古贤研究团队根据固体受力偏应力场具有“构造附加压力”的理论实验研究(《科学通报》,1995),率先在“大陆构造会议”上(北京,1994)提出不同意见。2000年为此召开有张炳熹、董申葆、任纪舜等6位院士参加的“地壳异常压力学术研讨会”,认为超高压矿物可能是地壳深部静岩压力(地壳最大厚度约50~70公里,静压约1.5~2.2G帕)叠加构造附加压力作用形成的,不一定需要深俯冲,也可以在32公里地壳深处经构造增压而成。
 
但深俯冲认识者一直坚持认为压力主要与深度相关,认为吕古贤团队提出的构造应力附加的压力不够。吕古贤研究团队的观点没有被“大陆深俯冲”派接受。
 
之后,“大陆深俯冲”假说成了中国地质学研究的一大热点,列入国家“973”计划,得到基金重大项目的支持。这些研究得到的俯冲深度越来越深,最新说法是“俯冲”已达到350公里深度。
 
反对意见并未平息。Hirth等(1994 ),周永胜等(2002)在围压1.3G帕、温度950℃~1000℃、差应力1.5~1.67 G帕、应变75%~81%的条件下,在塑性变形的实验样品石英岩接近端部的区域,经Raman光谱分析证实出现了细粒柯石英。在差应力条件下出现柯石英的压力远小于静压条件下柯石英稳定存在的压力,这表明柯石英的形成条件并非必须在上地幔中。
 
池顺良、武红岭(2002)根据柯石英多呈数微米至数十微米粒级包裹于榴辉岩中毫米粒级的石榴石、锆石等坚硬矿物晶体内的事实,提出“寄主矿物天然压机机制”。
 
在造山过程中,地壳会增厚到50~70公里。中、下地壳岩石在适合的温压条件下发生变质,形成以榴辉岩为主的高压岩石。在漫长的地质时代,在高温高压超临界状态下,各种矿物成分围绕晶核生长形成石榴石、锆石等矿物晶粒。晶粒中往往含有石英微粒等包裹体。生长形成的包裹有石英微粒的矿物晶粒,处于相对均匀的静岩压力状态。在这一深度范围,已有约1.6G帕静岩压力。当由于构造运动(如形成深断裂)等原因环境温度降低时,由于石英膨胀系数几乎为零,晶体包壳冷缩就对石英微粒施加很大附加压力。晶体包壳成为对石英微粒施压的“天然压机”。
 
有关超高压岩石冷却史的研究表明,在峰期变质作用之后,随即发生快速冷却。冷却速率高达每百万年50C°~100C°(李曙光,1998)。
 
在同心圆环弹性力学模型中,计算结果表明,温度下降300 C°,“天然压机”机制对石英微粒施加围压可达到3G帕(武红岭、池顺良,2003)。冷却也使已形成的超高压矿物容易得到保持。
 
包壳给内含石英微粒加压,石英则要涨裂包壳。张力可使寄主矿物围绕石英形成放射状张裂纹。这与微粒状超高压矿物在退变质情况下常见到的现象一致。
 
从事无机合成与超高压实验凝聚态物理研究的苏文辉研究组,在自然科学非共识基金的支持下,从微观角度研究柯石英在相对较小静岩压力下形成的可能。研究组把石英粉末和直径为5~15mm的钢球,放入充氩气的不锈钢球磨罐中作机械球磨处理。钢球碰撞所产生的局域高压和局域高温(3~6G帕,600~900K)及剪切应力共同作用,大大降低了柯石英的静高压最小合成压力,还大大缩短了合成时间。
 
因此,在33km地壳范围内,可以出现许多局域压力大于柯石英最小静态转变压力的、小尺度不均匀非平衡区域。在这些区域中就能形成柯石英微粒。研究组认为,强烈地震的地震波、断层间的剧烈摩擦能提供类似实验中的机械作用。
 
苏文辉认为,迄今为止,在世界各地发现的地表柯石英,不论在产地,还是周围应发生的现象等,都未能很好符合大尺度板块折返形成地表柯石英假说的特征。地球板块折返,是一种能量变化很大、运动空间很大的小机率大事件,在地球构造中未能找到更多更确凿的证据以前,虽然可以认为地球板块折返是一种可以解释地表柯石英形成的可能机制,但它只是一种可能性不大的机制。相反,已发现的地表柯石英的出产地(存有巨大挤压应力和剪切应力的断裂带和剪切带)、小尺度和不均匀分布等特征与小尺度不均匀局域高压微区形成地表柯石英新机制(非板块折返)十分符合。新的假说是一种可能性很大的产生地表柯石英的新机制。
 
苏文辉研究组的研究成果再次对我国大陆动力学研究的热点——“大陆深俯冲”假说提出挑战。“大陆深俯冲”假说将如何应对?
 
以上对“大陆深俯冲”假说的反对意见都是针对第一个难题提出的。针对第二个难题,即柯石英生成后,随着压力减小柯石英如何保存下来的问题并没有被深入探讨。设计高压实验,搞清围压降低后柯石英保持不变回石英的温压条件,将会提供更多的判别根据。
 
由于分工细化,研究人员熟悉的知识范围相对有限。不同专业研究者相互合作与沟通,成为解决复杂科学问题的必由之路。在一个学科中令研究人员困惑多年的问题,在另一学科中也许就是已经解决的问题。
 
超高压的产生可以有多种因素,不同学科专家熟悉的这些因素的内容及层次不同。静岩压力、锆石壳与石英内核相互作用、微观的凝聚态物理机制都能产生高压。要正确解决“柯石英悬疑”,只有靠各专业学者为共同目标精诚合作,揭开柯石英形成的真实机制,为地学探索找到正确方向。
 
中国人沉睡了数百年后醒来,发现科学高地上已盖满各式西洋建筑。中国科学要想在剩下不多的地盘上有一席之地,就要研究如何适应大综合时代的要求。国家自然科学基金设立非共识项目,非地质专业的苏文辉研究组得到基金支持,取得有重大意义的研究成果,成为自然科学研究大综合的范例。
 
(作者系中国地震学会地震观测技术专业委员会委员)
 
《科学时报》 (2010-1-4 A1 要闻)
 
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