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第四章 地球构造 我们已经对宇宙中所有天体的演化有了一个基本的和大概的了解，现在，我们应该将眼光集中在一个最重要的星球——地球之上了。地球是我们生存的环境，人类的起源、人类的生活、人类的发展、人类的前途无不受到地球的安排和制约。人们对地球极为关心，希望更多地、更详细地了解地球的构造及其变化。我们看到，在地表上的环境是不一样的，有的地方是大陆，有的地方是海洋，那么，大陆和海洋之间有什么本质的区别？大陆是如何诞生的？海洋又是怎样形成的？地壳并不是均匀一致的，有海拔九千米的高山，有深逾万米的沟壑，这些高山和沟壑又是怎样形成的？地壳为什么要这样凸凹不平？地球不是平静的，有的时候从地底下猛烈地喷出岩浆，火山灰弥天盖地，有的时候地壳发生剧烈的抖动，使得房倒屋塌，人死畜亡……，地球啊，你为什么要这样动荡不安？ 在现代科学中，认为地壳是由漂浮在地幔表面的几个板块而构成，这些板块在某种不可知的力量驱动下产生相对运动，它们一会儿碰撞而产生高山，一会儿又分开而留下海底……。这难道就是我们的地球吗？ 本章的目的就是探讨地壳运动的根本原因以及基本现象。 一 皱缩的地球 （一） 地球是人类居住的星球，它与人类的关系的确是无法比拟的。地球不仅是人类生存和发展的根本出发点，而且人类本身也是地球演化到一定阶段的产物。那么，地球从何而来？地球怎样发展？这些问题也就理所当然地使人们苦苦思索。 这个问题的解决的确是非常困难的。人类的历史不过300万年左右，而地球的历史却超过50亿年，也就是说，人类的历史只占地球历史的大约1700分之一（何况人类的文明史只有6000年左右，更只是历史长河中的短短一瞬间）。因此，人们要想从自身的感受和观察中认识地球的演化历史，正象不能从一部电影里的某一个画面去了解全部的电影故事一样，似乎是完全不可能的了。 然而，星球的演变不是杂乱无章的，而是有着固定的规律。通过思维，我们可以找到这样的自然法则，可以找到地球演化的原因和动力，可以认识地球正处于什么样的力学状态和物理状态，从地球的现状出发，运用这个自然法则就可以回溯到地球的过去和起源，可以推导得地球的未来和归宿。正如前一章所述，每一个星球都从原始星云开始，经历恒星、行星、卫星、小行星各阶段，最后又完全崩溃而完成一个生死循环。地球正处于这个演化系列的中间阶段。太阳是它的过去，月亮是它的未来，而小行星和陨石则是它的归宿。 （二） 星球演化的过程是一个质量不断减少，体积不断缩小的过程。从一个非常庞大的原始星云球开始收缩，逐渐变为一个相对非常渺小的天体而最后崩溃。在整个演变历史中，一方面，星球内部的物质在粘性的作用下不断集中，不断收缩，使得密度变大，产生高温高压，正是在这种条件下合成了我们地球今天所存在着的各种元素，同时，产生大量的热和能量；另一方面，在星球的边缘，由于密度的巨大差异，物质不断地扩散。正是这样，到了星球的晚期，质量则不足原来的千分之一，体积则不及原来的亿分之一，这时，星球自身的引力便不足以维持星球的存在，这个星球就崩溃了。在这整整的一生中，质量从来没有停止过减少，体积从来没有停止过缩小。地球也不例外。 地球的质量也是不断减少的。这主要有以下几个方面的因素：热核反应使大量的物质变为热而扩散掉；火山爆发将大量的岩浆和气体喷出地面，使得地壳的内容物不断减少；在地球表面的物质是不稳定的，岩石不断风化，分子不断分解，原子不断蜕变，而这些变化得到的轻元素和小分子不断地挥发，成为大气层而不断地逃出地球的引力范围，最后在空中又完全崩溃…… 地球的体积也同样不断地缩小。强大的地球引力场时刻都在压缩着整个地球，就象一个收缩能力很大的橡皮球套在整个地球的外部，它竭力使地球占有更小的体积。这个指向地心的收缩力量便是地球周围的重力。这个力量虽然不足以引起热核反应，但它却足以不让地球内部留下任何空隙。随着地球的内容物减少，地球的体积必然也就不断地缩小。 （三） 但是，地球的外部却存在着一层固体的外壳！在恒星后期，星球开始冷却，那些在高温高压下形成的重元素和大分子在火球边缘不能够继续保持熔融状态，它们冷却而成为地壳。地壳的形成并不妨碍星球的进一步演化，任何力量都阻止不了地球继续缩小。问题在于，在地球缩小的同时，地壳相应地将作什么样的变化？ 地球是不断缩小的，但刚性的固体外壳却往往不能适应这个变化。一方面由于地幔的冷却效应，一方面由于火山爆发，地球内部的物质收缩得很快，地壳相对于它所包裹的内容物来说，是过于大了一些。这就必然造成矛盾。或者是在地壳也地幔之间存在一层空隙，或者地壳破裂而适应新的球体。地壳的厚度平均来说只有几十公里，相对于地球几千公里的直径来说，是的确太小了。假如我们用泥团捏成一个拳头大小的球，那么，地壳只相当于贴在泥团表面的一张纸而已。对于人类来说，地壳的岩石是坚硬的，一般是无法改变的，但是，岩石的应力相对于星球收缩力量却是很小的，因此固体外壳将发生形变而与地幔紧密粘贴在一起。 假如我们手中有一只干缩的苹果，这个问题将更直观了。将一只新鲜的苹果放在一个干燥的地方，它的水分将逐渐挥发，它的体积将开始变小，而它的皮却不能作相应地缩小，过了一段时间以后，苹果皮相对于它的内容物就会显得太大了一些，于是，苹果皮就开始变形和褶皱。正如一个干缩的苹果的皮会产生皱纹一样，由于体积的减小，过大的地壳也会产生褶皱，地球就是一只皱缩的苹果。 （四） 在体积缩小的同时，表面积也应当作相应地减少。地壳一方面要不断地向地心靠拢，另一方面，由于地壳的面积太大太多，显得太拥挤，它们之间相互挤压。因此，地壳同时受到两种力的作用，一是垂直方向的重力，二是水平方面的挤压力。正是这两种力，使得地壳不断地变形和断裂。这就是地壳运动和变化的根本原因和动力。 当然，岩石的刚性也是不容忽视的。它使得地壳不可能象柔软的苹果皮那样随意地弯曲和变形，当收缩的力量强迫地壳变形时就会产生应力，应力大到一定的程度，地壳就会断裂！虽然地壳的厚度、地壳的强度相对于地球的直径和地球的收缩力量是很小的，但地壳的刚性也是很巨大的，它使得地壳不可能处处都进行断裂和变形，而只是相距很远，在很大的面积上才作一次很完全的断裂，这便构成了目前地球上所存在的几个主要断裂带以及由此而划分的几个板块。 目前，地球上的断裂带主要有：横贯大西洋的大洋中脊；印度洋的三叉断裂；环太平洋的环形断裂；以及与大西洋中脊相垂直，从地中海到加勒比海的大断裂。这几条断裂级将整个地壳划分为几乎很均匀的大板块。 二 海陆分布 （一） 在进一步讲述之前，我们必须先弄清楚一个问题：海底是上凸的，还是下凹的？ 似乎这个问题十分简单。因为我们可以联想到我们身边大量的实例，如池塘、水库、湖泊等等，更小的还有水坑，我们知道它们之所以能够积蓄水，是因为它们都是下陷的。假如我们将它的底面近似为一个球壳的一部分，那么它的球心就一定是在底面之上。同样，我们可以推理海洋也是这样。 其实，这完全错了，假如我们将大洋底近似为球壳的一部分，那么它的球心不是在海洋上面，而是指向地心！甚至在陆地与海洋的交界处，虽然我们看见突然陷下去许多，但其实岩石层仍然是向地表凸起的。除了海沟以外，所有的地方都是如此，或者说，没有任何下陷的地方。海洋壳相对于陆地不是凹下去的，而是凸起来的，只不过凸起的程度不够。 因此，可以说，整个地壳，无论是洋底还是大陆，都是一个向外张开的弓！ （二） 当地球缩小时，原来所存在的地壳的半径较大，板块弯曲的程度较小，而现在地球的半径较小，地球的水准面也即海平面的弯曲程度较大。当我们将一个过大的地壳去适应较小的球面时，地壳发生断裂而成为一个个的大板块。我们将这些曲度较小的板块安置在曲度较大的海平面上，这些板块能够被均匀地淹没吗？不能！假如我们想让这些板块能够被均匀一致地淹没，那么就必须让两者的曲度完全一样，也就是说，要用力让板块再弯曲一些，但由于地壳是刚性的，它不可能随时变形。因此，将这样的一些板块安置在海平面上，必然会出现有的地方在海平面之下，有的地方在海平面之上，有的地方被海水覆盖，有的地方却露出水面。我们将被淹没的地方称为海洋，将没有被淹没的地方称为大陆。 对于一个板块来说，它被部分淹没的情况只可能有两种：或者将板块平放在地球上，结果两端翘起，而中间的海拔高度较小，两端没有被淹没，而中间却被海水覆盖，或者将板块斜插进海平面，结果一端下沉，而另一端翘起，一端成为大陆和高原，而另一端则成为海洋。如图4-1所示。 这便是地球上大陆与海洋的分布规律。 （三） 我们打开地形地图，将会发现南美洲、北美洲以及非洲都是一侧地势极高，而另一侧地势极低，从高往低逐渐下降，直至没入海面为止。在这些板块的一侧都是海拔几千米的山脉和高原，而在另一侧却是平缓的海滩和近海，中间则是平原或者沙漠地带。南美洲、北美洲以及非洲这三个板块都是倾斜着插入大西洋的。南美洲的西部是安第斯山脉，长9000公里，平均海拔4000米，很多高峰在6000米以上；中部是古老高原和平原，它们起伏和缓，东部则是逐渐插入海平面之下，而成为大西洋的一部分洋壳。北美洲的西部是落基山脉，海拔高度为2000~3000米，紧邻的是高原和盆地，平均高约1300~1800；中部是海拔1000米的大平原，接着向东逐渐过度到海岸平原，海滩和大陆海境。非洲的东部地势极高，称为高非洲，有埃塞俄比亚高原、东非高原、南非高原，海拔高度都在2000米以上；中部主要是撒哈拉沙漠，从东到西地势平缓，逐渐从2000米下降到200米；西部则插入海水，成为海拔高度为负数的海底平原了。 假如我们从喜玛拉雅山山脉到阿尔卑斯山山脉划一条缝合线，将欧亚大陆当作两个板块，那么所分开的两个大陆也服从同样的规律，这两个板块都是以喜玛拉雅山山脉或者阿尔卑斯山山脉作为板块的一侧，而另外一侧都地势很低，北大陆是逐渐向北海拔高度降低而没入海面，南大陆是逐渐向南下降而插入大洋的。 在世界六大洲中，只有唯一的大洋洲不同。南美洲、北美洲、非洲以及欧亚大陆的板块都是一端插入洋面，而另一端则翘起，只有大洋洲是一个例外，它平放于海平面上，中间低洼而两端突起。沿着近似东西方向，大洋洲两侧的地势较高，海拔高度均为1000米左右；而中间地带地势却较低，海拔高度在100米左右，最低处有埃尔湖，湖面低于海面十二米。 （四） 太平洋板块与大洋洲板块一样，也是平放于地球之上的，它两端翘起而中间低洼，两端的地势较高而中间地势较低，两端被海水淹没的程度小一些，而中间地带覆盖的海水就非常深了。太平洋板块与大洋洲板块唯一的不同之处在于，它们被海水淹没的深度有所差异。大洋洲板块几乎都浮在海平面之上，而太平洋板块却完全沉到海水以下；大洋洲体系的海洋只淹没了中间最低洼的地带，而太平洋体系的海水却覆盖了整整一个板块！假如海水上升，大洋洲也将逐渐被海水淹没而成为海洋；假如海水平下降，太平洋也将逐渐露出水面而成为大陆。大陆和海洋之间不存在着任何根本的差别，只是海水淹没的程度不同而已。 大西洋也是如此。假如我们将南美洲、北美洲、非洲、欧洲以及大西洋放在一起，当作一个大的板块，与大洋洲不也完全一样吗？大西洋的海水不也是处于一个大板块的中央么？只不过海水太少不足以淹没整个大板块。这个大板块与大洋洲一样，也是两端翘起，中间低洼。这个大板块的西侧由安第斯山脉和落基山脉所构成，而东侧则由非洲的高压大陆所组成，两侧的海拔高度都超过几千米；从两侧开始，海拔高度向中间逐渐降低，直至没入海面被海水淹没而成为大西洋。 所以，大陆和海洋的区别并不在于构成它们的板块有什么不同，而只是因为海平面的高低所造成的。使得地球的表面变得凸凹不平。海水淹没了凹陷的地方而成为海洋，凸起的地方露出水面则称之为大陆。当海平面上升，大陆可以变为海洋；若海平面下降，海洋也同样可以成为大陆。 三 大陆边缘 （一） 大陆和洋壳，就其自身来说是完全一样的。当一个板块放在海平面上，被海水淹没的部分被称为洋壳，没有被海水淹没的部分则成为陆地。无论作为洋壳还是作为陆地，板块本身并没有任何差异，如果洋壳变为陆地，或者陆地下沉而成为洋壳，板块本身也不会发生任何变化。 板块的入水处，我们称之为“海岸线”。海岸线是否说明地壳发生了极本的变化，代表着两类不同地壳的分界线？不是的。南美洲、北美洲、非洲等等这些板块都是平稳地插入大西洋的，它的海拔高度是均匀一致地下降的。从大陆到大洋是逐渐发展的，没有断裂，没有海沟，甚至也没有火山和地震。将大陆和大洋壳放在一起观察，它的表面将是完美无缺的，甚至我们还无法区别出哪个地方曾经作过洋岸——因为整个板块都没有差异，没有分界线。事实上，当海水上升，海岸线会不断地向内陆推移，若海水下降，原来的海岸线以及洋底也会成为毫无差异的陆地。 现代科学将海岸分为两类，一类是活动大陆边缘，另一类是不活动大陆边缘。在前者，洋壳和大陆之间存在着剧烈的冲突，发生造山运动，引起火山爆发；而在后者，洋壳却与大陆友好地相处，以海岸线为界互不侵犯。事实上，这种分类完全是多余的，不活动大陆边缘都在大西洋一带，而所谓的活动大陆边缘都是环绕在太平洋一周。太平洋是一个被完全淹没的板块，板块的边缘也就恰好成为大陆的边缘。当然，在板块的交界处会发生地壳运动，但这与它是否作为一个海岸无关，如果海岸不正好与板块的边界重合，这些地壳运动仍然存在。因此，大陆与洋壳之间不存在着任何冲突，更准确地说，它们之间没有本质的分界线，而是一个完整的板块。 （二） 但是，在现代科学中，大陆和洋壳却是截然不同的。大陆和洋壳有着本质的差别，上帝在创世的时候就已经严格地规定：大陆就是大陆，洋壳就是洋壳！大陆必须永远露出水面，而洋壳却必须永远沉没。另一方面，大陆和洋壳在运动上却是井水不犯河水，各自独立地变化，互不干扰，互不影响。大陆和洋壳有着不同的起源，有着不同的变化，有着不同的归宿，甚至它们的成分和厚度也完全不同！ 大陆的祖先是原来的陆核，或者称之为古大陆；而洋壳的来源却是地底下的岩浆。在考察大陆的运动和变化时，可以完全无视洋壳的存在。古大陆一会儿断裂，一会儿漂移，一会儿分开，一会儿又碰撞，这就使得现在的这些美洲、非洲、欧洲和亚洲分而合，合而分，一会儿远离，一会儿又靠近。大陆永远就是这一些陆地，只不过它们的相对距离不断变化而已。同时，洋壳一会儿从地底下冒出，一会儿又钻进地底之下。就这样，大陆分而合，合而分，大洋从无到有，又从有到无，这就是现代科学中的地壳。 进一步地，现代科学规定：大陆和洋壳的成分完成不同。大洋壳主要是火成岩，它的平均组成是铁镁质的，相当于玄武岩或辉长岩。大陆壳与大洋壳相比，硅和钾较多，而铁、镁和钙较小。这些成分不同的最终结果是大陆壳具有与安山岩、花岗闪长岩类似的中性成分，而不是大洋壳的玄武质成分。这完全是一种错误的论断。不错，由于大洋中脊的存在，由于断裂和火山的爆发，使得洋壳表面铺上了薄薄一层火成岩，但这不说明厚达几十公里的洋壳都是这种成分，事实上，洋壳与大陆的成分完全一致，只是同一板块的不同部分。 （三） 在现代科学中，地壳的总面貌是这样的：它具有由两类主要岩石——玄武岩和花岗岩——所组成的结构，密度较小的花岗岩“漂浮”在玄武岩之上，形成大陆，在花岗岩特别厚的地方，则形成山岳（就像大冰山比小冰山更高地耸立在海面上一样）。所以，高原和山脉是上帝逐渐堆积而成的，而海洋却是上帝在某个时候挖的一个大坑。还在1877年，就有人提出了一个耸人听闻的设想，他认为月球曾一度是地球的一个组成部分，是在地球历史的早期从地球体中飞出去的，太平洋就是这次分离所留下的遗迹。 其实，地壳到处都是几乎均匀一致的，它的厚度以及成分很少有差别。只是因为，将一个板块放在地面时，它相对于海平面总有一定的倾斜角，这样，翘起的一端海拔高度较高，而下端的部分海拔高度较低，前者成为高原，而后者成为洋壳。我们往往提起，某某山脉高达多少千米，似乎它是一个庞然大物，似乎我们站在山脚下都看不到它的山峰，事实上，任何山脉相对于山脚的高度并不大，也只不过像我们平原中的山脉这般大小而已，只是因为它们处于板块翘起的一侧，它们处于高达几千米的高原，才使得它的海拔高度令人望而生畏。 如果我们真的相信现代科学的观点，那的确很难解释大陆上的山脉是怎样堆积起来的。喜玛拉雅山高达8.8公里，假如认为它是从海平面上逐渐由岩浆或沉积物质逐渐叠加的，那的确是不可思议的。同时，我们还必须考虑到均衡作用所导致下沉的厚度，这样，需要堆积的高度就为五、六十公里！实际上，喜玛拉雅山只是板块翘起的一端，它相对于海平面的高度并不意味着它相对于它所处的板块高了多少。整个板块上的山脉都不很高，山脉的实际高度应该从山脚算起。 （四） 一提到地壳，人们总是念念不忘：大陆壳的厚度由不到25公里变化到50公里，而大洋壳的厚度才8公里。其实，这是一个错误的结论。 我们知道，在一个水槽中放置一套厚度不同的木块，木块浮出水面部分的高低将会不同，而且与它们各自的厚度成正比。厚度越大的木块，它浮出水面的部分大，插入水下的部分也大。放入水里的木块达到这样的状态之后，就稳定不动了。我们说这套木块达到了静水平衡状态。 现代理论认为，地壳的各个部分就类似于漂浮在水中的不同厚度的单个的木块，由地球重力和地壳与下伏流动物质的密度差造成的浮力保证每一地壳块体都处在适当的高度。那么，按照这个假说，大陆壳的厚度就要比大洋壳厚得多了。并且，在大陆壳上，山脉越高，则这个额外的重量就必须以没入更深的地壳来均衡。一般来说，1公里的额外高程必须要由没入水面的深度增加6公里来进行补偿，因此，山脉的海拔高度增加1公里，地壳的厚度就应该加厚7公里。象喜玛拉雅山山脉的海拔高度为8.8公里，所以此处的地壳的厚度就至少要在60公里以上。 当然，我们不难看出，这个假说是没有一点事实根据的，事实上地壳并不是一个个毫无联系的碎块，地壳是一个统一的整体。只有当板块到处都存在着断裂，而且断裂得非常彻底，各个部分之间可以相当自由地上下移动的时候，地壳才可能达到这种静止平衡。姑且我们承认地壳正处于这种状态，那么，既然地壳的每一处都是均衡的，因此它就失去了运动的动力，既没有下沉，也没有上浮，在地壳上不存在着任何应力，地壳也将不发生任何的构造变化。事实上，正是由于地壳是一个统一的整体，正是由于板块的刚性，使得地壳有的地方沉入海水之下，有的地方却翘了出来，在沉入的地方受到向上的浮力，而在突起的地方又受到向下的重力，才使得地壳不断变形、褶皱和断裂。 四 十字型断裂 （一） 我们已经提到过地壳的断裂，那么这种断裂又是怎么样发生的呢？我们将一个曲度相对较小的板块放在地球的表面，或者说放在地幔之上，将会出现什么情况呢？ 很显然，这个板块两端将翘起，而中间则陷入海平面之下。如图4-2所示。 图4—2 由图中可以看到，板块的两端悬起，而中间则被地幔所支撑着，两端受到向下的重力，而中间则受到向上的浮力。正如将一张面积大又很薄的碎饼放在园球上，这将在中间处发生断裂。首先，由于两端向下压，而中间向上顶，这就引起板块发生弯曲，使得中间的曲度变大，当大过岩石的应力限度后，板块就会逐渐断裂，地球上的断裂就是这样产生的。 大西洋就正处于这样一种情况。在若干世纪以前，南美洲、北美洲、非洲、欧洲以及大西洲都处于一个完整的板块之上，这个板块过于庞大，它的两端翘起，安第斯山脉、落基山脉以及非洲高原的重量压在板块的两端，而中间的洋壳却受到地幔的无比强的向上的作用力，这将导致这个板块发生弯曲。由于弯曲形成了所谓的大洋中脊，大洋中心的中心高度，约超出周围洋底大约2.5公里，也就是说，在大西洋的正当中有一个海底高原。弯曲的同时会产生应力，也会产生一连串的断裂。在这个板块两侧的平行方向上，也即大西洋的方向有一条大断裂谷。乍一看来，这条大断裂谷似乎是延续不断，但是，经过更细致的研究以后发现，它原来是由一段段彼此错开的、又短又直的裂缝组成的。这些裂缝是无数次的断裂而留下的结果。每一次的断裂都是一次应力释放的过程，我们感觉到发生强烈的地震，偶而还有岩浆从地底下喷出。事实上，这条大断裂谷也正是地震和火山发生的地方。 （二） 由于弯曲的继续作用，我们将预期到这个大洋中脊将会越来越高，以致逐渐露出海面。同时，板块之间的断裂也会越来越深，越来越彻底。在横向收缩的挤压力作用下，最后这个地区将完全出现在海平面之上，而成为高原和山脉。 如今的欧亚大陆就是这样形成的。在很久以前，如今的欧亚大陆以及非洲、大洋洲、印度洋也是处于一块同现在的大西洋类似的板块之上。沿着现在的喜玛拉雅山到阿尔卑斯山一线是原来的大洋中脊。这个大洋中脊连同它四周广阔的区域在很长一段时间内都是一片浩瀚无边的海洋。由于类似于大西洋的作用，这个中脊慢慢抬高，使得洋底逐渐露出水面，大洋完全变为陆地了。到这一步，大洋中脊的抬高仍然没有中止，继续上升的结果，使这里的地形非常壮观，即形成了世界上最高的山脉和广阔的西藏高原。 关于喜玛拉雅山是从海底上升的假说已经得到了许多直接的证明。从喜玛拉雅山的中部往北分布着古生代和中生代时堆积在海底的地层。根据对这里的石灰岩的研究，它是从顶部向北倾斜的，倾斜度为20度至30度。而且，从这些石灰岩中还发现了生活在海里的贝壳的化石，发现贝壳的地方是西藏一侧的山脚下。沿着这条原来的中脊的周围沉积下大量的海底物质，例如海盐的贮量，存在着所谓的咸海，红海的NaCl的含量是大洋的五倍，可见，由于海水的蒸发，海盐已经大大地被浓缩了。我国的青藏高原湖泊众多。由于高原及山脉的不断抬升，高原内部的气候越来越干燥，湖面日趋缩小，湖水含盐量随之增加，因而湖泊大都成为咸水湖或者结晶的盐湖。湖水中还富含硼、钾、钠、锂以及其它矿物质。 （三） 一个板块不仅有长度，而且有宽度，不仅长度的数值很大，而且宽度的数值也不差上下，在长度方向发生断裂的同时，宽度方向也要求断裂。只有当两个方向相互垂直地断裂，才能有效地释放应力，才能有效地使旧的板块去适应新的地球。这就要求板块作“十字型”断裂。 例如，包括南美洲、北美洲、欧洲和非洲在内的大西洋板块，被南北方向的大洋中脊分成东西两半之后，这两半都显得过于狭长，两端的重力使得这两半重新对分，这里导致的断裂便是从美洲的加勒比海到欧洲和非洲之间的地中海这一条线，这条断裂线几乎垂直于大洋中脊。在大洋中脊的西侧，这条断裂线将这个板块从中对分的南美洲和北美洲，在大洋中脊的东侧，这条断裂线将这个板块分为欧洲和非洲。可见，大洋中脊和断裂线一起将整个板块分为很均匀的四块。 在欧亚大陆，非洲以及印度洋这个原来的大板块中，也存在着同样的断裂。我们沿着喜玛拉雅山到大高加索山再到阿尔卑斯山脉作一横切面，这就是原来的大洋中脊。我们再垂直于这一大洋中脊作一条断裂线，让它将整个板块分为对称的两半。这条断裂线便是非洲的东海岸以及它在欧亚大陆的延长线。这条延长线与非洲东海岸在一条几乎很优美的直线上，它从非洲海岸出发，经过阿富汗和巴基斯坦的交界线，再到苏联与中国新疆的交界线，延长到苏联与蒙古及中国交界的整个边境地带，最后到达鄂霍次克海。这是一条没有被人们认识到的断裂线，事实上，苏联的绝大部分地震就是发生在这一条线上，同样，它也使阿富汗、巴基斯坦、伊朗和印度成为多震国家。 我们可以发现，在这条大洋中脊和这条断裂线上，地势发生了多么大的变化，由于断裂，使得断裂线两侧的板块相差巨大。大洋中脊的东段是喜玛拉雅山，西段是大高加索山以及阿尔卑斯山，断裂线的南段是非洲海岸，悬崖峭壁历历可见，断裂线的北段同样如此，一侧是海拔几千米的高原，而一侧却是海拔不足1千米的平原。 我们应该还考虑到这个问题，在断裂很深时，由于表面收缩的拥挤力的作用，碎块之间可能发生上下滑动，而致使在断接处有一个非常陡峭的高度上升。在大洋中脊的东段，北板块上升而南板块下降，在大洋中脊的西段，却是北板块下降，南板块上升！在东段，北板块是从喜玛拉雅山开始，从海拔4000米逐渐下降的高原地带，而南板块却是陡然下降到1000米以下的印度半岛；在西段，山脉以及高原都在这条中脊的南面，而北面却是海拔平均只有几百米的东欧北原！ 这样，沿着东西走向的原大洋中脊以及横截这条中脊的南北方向的断裂将整个板块分为四个部分：欧洲、亚洲、非洲和印度洋。在东南角以及西北角的板块上升，而使得亚洲和非洲的地势很高；而位于西南角和东北角的欧洲和印度洋则下降，使得今天的东北角的板块只有印度半岛还在海平面之上，其他部分的海拔高度都小于零，欧洲板块也都在海拔高度100米左右。实际上，欧洲与印度洋在地理上并没有什么差别，假如海水上升，欧洲也将成为海洋，假如海平面下降，印度洋也将会是一个大陆！ （四） 在很久很久以前，现在的欧亚大陆曾是一片汪洋大海，尔后沧海桑田，成为欧洲、非洲和亚洲三个大陆以及一个印度洋。但是，变化到这里并没有结束，因为在这里大洋变为陆地的同时，另外的地方却正在从陆地变为海洋，这些新的大洋同样面临着相同的命运。由于海底过份低洼，受到很大的向上的浮力，因此这些洋底也要隆起，也要断裂，也要出现大洋中脊和断裂线。 在这个新大陆东部出现的是大西洋。新大陆作为大西洋系统的一部分，也会按照大西洋的要求而进行断裂。这个断裂便是垂直于大洋中脊的断裂线，它从直布罗陀海峡穿过地中海，再到达红海，而将原来的新大陆重新划分。本来，阿尔卑斯山、大高加索山以及整个西欧都应当与非洲连在一起，属于大洋中脊南侧的板块，可是，由于大西洋的断裂，却将这些地区划归了欧洲。而且，更大的变化是地势方面的改变，它使得这个西南角板块与东北角的亚洲完全不同，阿尔卑斯山没有喜玛拉雅山那么高，非洲从北到南也不逐渐倾斜…… 新大陆南部出现的是印度洋。这个大洋的隆起还刚刚开始，它的断裂还很不完全。一条断裂线是从西南角到东北角，另一条断裂线是从东南角到西北角。新大陆东部出现的是太平洋。它的一条断裂线是中国的东海岸及其延长线，另一条断裂线是太平洋西南部的海沟，也即美拉尼西亚一带。准确地说，从中国东海岸为界，它的西部正在逐渐上升，而东侧却正在逐渐的下降，中国大陆和太平洋的很大一部分只是新断裂中的四个板块中的两个而已。 印度洋断裂和太平洋断裂使得大洋洲到马来群岛一带处于进退维谷的局面，它被两种交叉的断裂而划分为一个突起的小板块。 五 造山运动 （一） 在两个板块之间不仅仅是断裂，而且更重要的是存在着一个水平方向的挤压作用。在地球收缩的同时，地球的表面也必然减小，当然，岩石是刚性的，非弹性的，这种表面积的减小不能通过地壳的被压缩来达到。唯一的方法是板块在交界处隆起以及两个板块相对作垂直运动来加大它们的弯曲程度，缩短地壳的距离。当两个板块并没有完全断裂之时，两个板块的交界处不可能发生相对运动，因此，主要效应是大洋中脊的逐渐隆起，当两个板块之间完全断裂了之后，两个板块的交界处就可以发生相对运动，一个板块可以爬到另一个板块的上方。这是因为当两个板块之间不存在着垂直运动的时候，在板块的交界处会有一个“V”字型缺口，当然，受到巨大挤压的地壳不能容忍这个空隙的存在，因此，一个板块稍微移上一些，同时，这个板块也向前移动了一段距离，恰好弥补了这个缺口。如图4-3所示。 图4-3 当一个板块在交界处位于另一板块之上，也就说它们存在着相对垂直运动，两个板块之间又会增加一种额外的作用力。因为这种垂直运动并不是它们自动产生的，而是在水平方向的压力下被产生的，这样的结果使得它们之间有一个竭力回复应在位置的力量，导致下板块在断裂点处受到上板块对其的下压力，而上板块却受到下板块对其的推举力。这就使得上板块向上断折，而下板块向下断折。如图4-4所示。前者形成山脊，而后者则形成海沟。 图4-4 南美洲西部边缘是说明这种活动的最好例子。两个板块之间相对的垂直运动很大，致使今天在海岩线的地层落差达到10公里，安第斯山的岩基倾斜度很高，与此平行相隔不远则是秘鲁——智利海沟。由于南美洲板块上升很多，海岸的一般山脉地区海拔大于4000米，最高峰海拔超过6000米。由于下板块的端点处受到很大的断折作用，因此海沟的深度超过4000米，相对于海平面则超过7000米。不过，由于安第斯山脉的海拔高度太高，向着海洋一侧的倾斜度太大，因此风化和搬运作用非常强烈，致使从外观看不到陡峭的断壁，而且海沟也几乎由于沉积作用而被填满。一般来说，这种断裂造成海沟，但由于沉积作用而使得海沟逐渐被充填，因此较年轻的海沟比较深，而年老的海沟却很浅了。例如太平洋西岸的新赫布里底海沟深逾万米，远远超过世界最高山珠穆朗玛峰，而智利——秘鲁海沟却不太深了。太平洋的东海岸的断裂很年老，它的山较高，而海沟却比较平了。 （二） 当然，板块之间的断裂只在一个地方进行，这只是一种理想情况。事实上，断裂是逐次的，在同一方向上存在着相互平行的若干断裂线，这些断裂有的深有的浅，有的长有的短，但是，每一个断裂之处都必然或多或少地发生板块的相对运动。在横向挤向力的作用下，在每两个断块的交界处都可能发生垂直方向的位移，这就造成地势的梯形下降。同时，下板块受到向下的压力，而上板块受到向上的举力，因此，形成一系列平行的山脊和沟壑。北美板块和太平洋板块之间的界限就是以一系列的转换断层为标志的。 欧亚大陆的情况更能说明这个问题了。在大洋中脊隆起的时候，大洋中脊是一条最主要的大断裂，板块之间的运动主要是在这里得到实现。但是，在大致平行于这个大断裂的方向上，还分布着若干小的断裂或者说是不深的断裂，这些地方板块发生一定的上升和下滑，岩浆沿着裂缝上升，而后喷发出来而形成一条条山脉。这样，大洋中脊便形成了喜玛拉雅山脉，而其他几条平行的断裂则分别形成了阶梯下降的昆仑山脉，天山山脉以及阿尔泰山脉。在这些山脉之间，便是从南向北倾斜度很大的几个盆地了。 要注意的是，这种次要断裂处的板块相对垂直运动可以有两种方式。第一种方式是当水平方向上的挤压力不太大的时候出现的。因为倾斜的板块断裂时会出现一个高板块和一个低板块，这个板块之所以倾斜，原因在于高板块的顶端被另外一个板块举起来了，在重力的作用下，这个板块无时不在竭力下降，所以，一当低板块脱离了被垫起的高板块，它便迫不及待地下落，也即低板块相对于高板块向下垂直运动。这种方式便是转换断层。第二种方式是低板块相对于高板块在交界处向上运动，从而使高板块和低板块的倾斜度更加变大，水平方向的地壳更加缩短。这是大洋中脊隆起的同时，水平方向有很大的挤压力，才导致每一个后面的板块都爬到前面一个板块的上面。在这种方式中，每一个小断块的顶端都受到高板块底部对它的推举力，而小断块的底部却受到低板块顶端对它的压力，这会导致两种效应，一是使小断块的倾斜度更大，二是发生造山运动。 （三） 在讲述了南美洲的安第斯山脉、北美洲的落基山脉以及欧亚大陆的喜玛拉雅山脉之后，我们可以将注意力集中在太平洋西侧的岛弧造山系统上来了。 我们先来考察中国东海岸的岛弧系统。这里的断裂是在哪两个板块之间进行的，或者说，断裂之前有一个什么样的大板块？这个大板块的一端是高高隆起的中国大陆，平均海拔高度在3000米左右，另一端是沉入海水里的太平洋洋底。由于在这个板块的一端相对于南美洲和北美洲有着向下的位移，受到安第斯山脉和落基山脉的巨大重力的作用，因此这个大板块是倾斜插入大洋的，使得另一端的中国大陆高高悬起！两端都受到如此大的重力，这个板块必定发生断裂。断裂的结果，或者说“大洋中脊”隆起的结果，是中国东海岸的不断上升。 但是，这个区域的断裂与众不同。这是由于它周围的环境所限制的。在这条断裂的左端有突出来的东西亚、马来群岛和大洋洲，在右端有阿拉斯加，因此整个海岸是一个向内凹的椭圆形。我们有这样的经验，当掰一块烧饼时，如果烧饼的质地一致，那么，一条断裂线就可以将烧饼分开，如果在烧饼上存在着一条弧线，在弧线的外侧质地较硬，而弧线的内侧质地较软，那么，掰的时候会出现什么现象呢？一条裂缝不可能进行到底，在弧线的内侧出现一系列大致平行的不太深的裂纹，同样，将欧亚大陆从太平洋向上掰的时候，当一条裂缝形成后，消除了这部分的应力，但不可能延长和加深，因此，又紧接着在下一处开始断裂。所以在太平洋西岸是多次断裂，这些裂缝以至造山带是大致平行的。 这里的造山运动是这样进行的。将整个大板块放于一个球体上，然后在欧亚大陆上加一个力量向下压，使得与大陆连接紧的地方向上翘，这种向上翘的断裂将导致一个个向外凸起的海沟。同时，由于水平方向的挤压力的作用，使得在断裂处没有翘起的部分更加向下滑，而翘起的部分更加向上爬。这样，上升的板块边缘受到向上的推举力，在边缘外弯曲而形成突起的岛弧，而下降的板块边缘将受到向下的压力，边缘处弯曲而成为海沟。与太平洋东岸不同之处在于，这个断裂以及相对上升的程度都不大，当岛弧上升到一定的程度，它的垂直运动就几乎停止，而开始下一处的断裂。同样，下一处的断裂也会产生同样的运动，靠近大陆的断块将受到向上的力而浮起。这就是岛弧的产生机理。 按照这个机理，千岛群岛——日本群岛——琉球群岛——吕宋岛诸山脉是外于两条海沟之间的。在很久以前，欧亚大陆与太平洋的裂隙是位于这个岛弧系统的内侧，那时，这些岛弧系统都在海水之下，都只是一块平平常常的海底，但由于边缘外受到向下的压力，在岛弧这里就发生弯曲，并且有许许多多的小裂缝，从中冒出岩浆，形成一座座的海底火山。紧接着，下一处大的断裂开始了，原来的火山系统现在作跑到到欧亚大陆这一侧来了，因此受到向上的力，逐渐露出海面，这便是今天的岛弧系统。 这个岛弧的发展将形成欧亚大陆的又一山链。在此之前，这里已经有过两次这样的造山运动了。第一次是大兴安岭——太行山——雪峰山这条线；第二次是长白山脉——朝鲜半岛——胶东山地——武夷山这条线。日本海、黄海、东海和南海才从海面上升，它们将逐渐干涸而成为沉积平原或者盆地。而沿阿留申海沟——千岛群岛海沟——日本海沟——马里西纳海沟一带又将成为新的海岸和新的近海了。同样，大兴安岭、长白山脉等等都是以前的岛弧系统，而这些山脉的中间地带则是以前的近海了。我国的华北地区便是一个典型的沉积平原，在这里沉积了几百米厚的石灰质和泥质沉积物。在这些沉积物转变为岩的岩层里夹有许多层所谓龟裂灰岩，就是海底的淤积物露出海面发生干裂的现象。 正是这种原因，造成中国的地势西高东低，呈阶梯状分布，从号称“世界屋脊”的青藏高原出发，与海岸平行地分布三条南北走向的山链或者岛弧链。中国的山脉有两种走向，一种是东西走向的，它是超大陆形成时，与大洋中脊平行的几条山链。另一种就是这几条岛弧系统。而且由于岛弧形成前的断裂作用，使得原来超大陆形成时的山链发生变形，例如，第一条岛弧断裂就使得大别山从昆仑山脉——秦岭这条线下截断下来。 （四） 在造山运动中，火山作用是最为重要的。 1964年，在冰岛西南的大西洋中脊峰上发生了一系列惊人的火山喷发，它连续喷出熔岩和碎屑物质达几个月之久。火山物质的堆积，最后形成了一个新火山岛——苏尔策依。 火山作用普遍存在，在海底存在着许多大大小小的火山锥。尤其在板块断裂的地方，在大洋中脊的附近，这里存在许许多多的大大小小的裂隙，大量的岩浆物质不断地涌出，沿着大洋中脊的方向铺盖了一长串的火山山脉。夏威夷火山链是这种现象的一个最好的例子。沿着这个火山链，排列着一系列的岛屿：夏威夷岛、卡胡拉韦岛、毛伊岛、拉奈岛、莫洛凯岛、瓦胡岛、考爱岛等等，这些海岛都露出海面。其实，这个区域的海水深达3000米，也就是说，这些火山都高于3000米。如果计及那些低于3000米而没有露出海面的火山，那么，这就将是一个延绵不断的山脉。夏威夷岛就是一座一万米高的水下山脉的顶部，它比喜玛拉雅山的高峰还要高，因此完全可以把夏威夷称为地球上最高的山峰。 事实上，几乎所有的山脉都是通过火山作用而形成的。无论是安第斯山脉、落基山脉，还是喜玛拉雅山脉、阿尔卑斯山脉，它们高出山脚的部分都是火山锥，都是火山爆发时所喷出的岩浆或者碎屑所堆积成的。板块运动只是使火山锥所处的板块从海面上翘起，让火山的山脚都成为高原，从而使得它们的海拔高度更加吓人而已。 六 板块构造学说 （一） 地球表面大约70%以上的地区被一层连续的海水所覆盖，各大洲被广阔的海洋包围着，几乎成了一个个孤立的岛屿。那么，在这些“孤立的岛屿”之间有没有什么联系呢？ 我们把考察的范围限制在南半球的几个大陆——南美洲、非洲和大洋洲之上，看着它们之间有没有共同的地方。一种生活在二叠纪时期的叫做舌羊齿的植物群对于南半球的几个大陆是共同的，它是一种典型的叶片化石，在南美洲、非洲、大洋洲以及印度和南极洲都广泛地存在过，而在别的大陆上都没有发现。第二个事实是，有一种小的水陆两极的二迭纪爬虫，称为中龙目爬虫，只有大西洋两岸的南非和巴西才能够找到，它存在于与浅硝很类似的沉积层里。这些都说明，在历史的某个时期，在南部各大陆之间并没有被海水所隔断，这时的海底也是大陆，动植物在这个广泛的陆地上迁移和繁衍。舌羊齿植物群传播遍了整个南半球，而中龙目爬虫活动的范围只限于现在的大西洋洋底以及南非和巴西，这是否说明大西洋洋底和巴西、南非曾经是一个大陆，而它的周围却是海洋呢？可见，南半球各大陆上地质证据的类似只是沧海桑田的必然结果而已。 但是，无论是传统科学还是现代科学，都不这样认为。在人们的意识中，大洋永远是大洋，陆地永远是陆地！那么，这些动植物又是怎样漂洋过海，从一个陆地到达另一个陆地呢？人们曾经假设，在大陆之间的海水上面漂浮着狭窄的极长的“陆桥”，这样动植物就不会因为畏水而不敢迁涉了；后来经过一段时间，陆桥又都沉入海底了。事实上，假如某种岩石曾经能够浮起，那么它就决不会沉没。这种比海水轻的岩石是什么？如今它的遗迹在哪里？ 可没想到，南部大陆的这些事实却成为大陆漂移学说的“确凿的证据。” （二） 我们大都有这样的经验，平原上的河流，一条弯弯曲曲的河流，它两岸的轮廓是极为相似的。只要地势没有发生突然的大变化，河床的宽度一般不会有很大的波动，这样，两岸间的距离总保持相等，东岸向哪边弯曲，西岸也会同样地向那边弯曲。大西洋也类似于这样的一个河床，大西洋的走向是“S”型，它两岸的轮廓也近似为“S”型。欧洲、非洲大陆的西缘和北美、南美大陆的东缘轮廓线十分相似，特别是南美洲与非洲一面凸出来一面凹进去，两面的海岸线是可以拼合起来的。 现代科学非常充分地利用了这一事实。1912年，德国地质学家魏格纳就曾经提出一种看法，认为现在的所有大陆起初是一整块花岗岩，他把这块大花岗岩叫做“联合古陆”。在地球历史的某个早期阶段，这块联合古陆破裂了，各大陆才开始漂移而分开。他进一步论证说，各大陆至今仍在漂浮着，例如，格陵兰现在仍然还在以每年1米左右的速率向着离开欧洲越来越远的方向漂移。 那么，大陆是在什么动力的作用下漂移的呢？魏格纳把大陆描绘成象航行在大洋壳上的木筏，地球的旋转驾驶它航行。这样的力有两个：一是地球的自转，在地球自转的时候，有一种力使极地的物质移向赤道，这就是离心力；另一原因是潮汐力，在地球自转过程中，由于日、月的吸引力使有些大陆不能马上跟着地球自转到东面去，而是落后了，相对地向西漂移了。 事实上，花岗岩不可能自行破碎，“联合古陆”不可能自行分裂为几个部分，也没有任何力量能够大到足以驱动地壳向前运动。更为重要的是，假如大陆分裂而运动开了以后，那么，在它们之间不留下了空隙？无论如何，海底也是有着岩石构造的呀？ （三） 为此，现代科学提出了所谓的海扩张学说。 这个学说提出的根据是世界洋脊体系的发现。世界洋脊体系全长八万多公里，宽达到二三千公里，在各大洋里连续不断地分布着。五十年代，科学家已经知道，在洋脊轴部存在着一个裂谷，沿着裂谷带，有一条狭窄的然而也是连续分布的现代地震活动带。 1960年，美国地质学家赫斯提出了这样一个设想，认为地幔中的熔融物质可能会向上涌，例如沿着大西洋全长展延的一些裂缝向上涌，然后在靠近地幔顶部的地方被推向一旁，并在这里冷却和凝固。形成新的洋底，并且使大陆壳裂开。经过一段时间以后，新的洋底不断加宽，已经裂开的大陆壳被带到离大洋裂谷更远的地方。大西洋就是这样，它的洋底不断地扩张，而使得南美洲和非洲之间的距离逐日增大。 既然新的大洋岩石圈不断地从每个大洋里产生，老的大洋岩石圈不断地在向外移开，大洋在扩张，长此下去，地球的体积不会越来越膨大了吗？解决这个问题的出路只有一条，那就是必须假设，不断增生的大洋岩石圈在地球的另外一些地方又重新回到地幔里去而消亡了。应该把这个功能分派给谁呢？环太平洋带当然是最合适的人选。环太平洋带存在着巨大的海沟以及连绵不断的地震区域，人们认为，在这里，大洋岩石圈下插到大陆岩石圈之下，也就发生了所谓俯冲的作用。俯冲的洋底随着温压的升高而熔融化到地幔中去了。这样就形成了一个循环，在洋脊处岩浆上升形成新海底，到海沟处，洋壳便俯冲下沉，最后沉到大陆壳下面而熔化在地幔中。 这个理论的确富于想象力，它把地壳的形成看作是一件非常简单的事情，简直可以同儿童的积木游戏相媲美。 （四） 将大陆漂移和海底扩张结合在一起，便形成了所谓的板块构造学说。 板块构造学说的基本大意与大陆漂移基本相同。只不过这里是板块漂浮，而不是单纯的大陆，每一块大陆便是一个板块，但是板块的边缘却延伸到大洋中脊或者大海沟。一条全球性大断裂谷把地壳分成为六个大板块，大断裂谷便是板块的边缘。联合古陆的分裂以及迄今所发生的大陆漂浮，全都是这些板块的运动所引起的。这样的漂移最后很可能把各个大陆再度漂到一起，不过那时很可能是按新的方式来组合了。在地球过去的生命史中，大陆可能已经发生过几次这样的分合了。 对比大陆漂移有所创新的是，板块漂移后留下的不再是空隙，而是一个新的大洋壳。当两个板块相互远离，地底下的岩浆涌出而弥补地壳的空洞；当两下板块相互靠近，这种新的大洋壳又自行消亡，钻到地底下去。 板块构造理论将地壳的一切变化都归于板块的水平漂移。至于板块为什么要漂移以及漂移的机制是什么，现代科学都没有提出任何合理的建议。这个理论只是简单地将地壳运动当作是板块水平运动的结果。他们认为，当两块板块缓慢地相遇时，地壳就会向下弯曲和向上隆起，形成山脉和山根。例如，喜玛拉雅山似乎就是在载着印度半岛的那块板块缓慢地同载着亚洲其余部分的那个板块相碰撞时形成的。另一方面，当两个板块太急剧地碰到一起，以致不能发生弯曲时，一个板块的表面就可能冲到另一个板块的下面，从而形成海沟、群岛和火山活动带。 这个理论的根本要点是，它认为每个板块都是一个独立的整体，彼此之间毫无联系，它们的运动是独立的，而这种运动却又常使它们碰撞在一起。其实，地壳太厚，岩石太坚硬，板块之间根本不可能完全断裂；岩石的厚度一般都超过十几公里，一个板块根本不可能爬到另外一个板块上，而致使这个板块一直在地底下向前运动，板块之间的相对运动至多只能在垂直方向上发生一些位移而已。另外，是什么动力驱使板块运动？是什么力量将这么厚的地壳向两边撕开，而后又将它们猛力向一起碰撞？假如不解决这个问题，板块学说也就失去了它的意义。 事实上，地壳上的板块不是独立的，不是完全撕开的，在板块之间不存在着水平运动，地壳的位置总是固定不变的！ 七 地球内部 （一） 地球的总体情况是一个正在冷却的庞大物体。地球的过去是一个太阳，它的原子分子都是在那个时候形成的，而今天地球与太阳却有根本的区别：热核反应已经停止，整个星球不再炽热，星球表面凝固为一层地壳。地球的未来是一个月亮，不过它目前还与月亮不同，它还没有能够象月球那样完全凝固，而是正在逐渐凝固，使得地球正处于相变和分异的阶段。这就导致了地球内部的复杂性。 地球的第一个特点是，它存在着一层较厚的固体球壳。这层球壳将地球内部与外部世界基本上完全隔绝了，使得整个地球成为一个独立的、隋性的体系。地球的物质不可能穿透地壳而弥散到空间，外部的尘埃也不可能钻进地球内部，总的来说，自从地壳形成以后，地球的化学成分就不会再发生较大的变化。同时，地壳的形成也在一定程度上阻止和延缓了冷却的过程，由于这一层地壳，使得在地球的外表构成了一个热屏蔽层，使得热对流不可能发生，热辐射也大大减慢。因此，地壳的形成使得地球进入了一个相对稳定的阶段。 地球的第二个特点是，它的物质已经非常粘滞了。地球内部的岩浆已经接近于凝固，它们的流动性非常小，已经不能再象恒星时期那样发生强烈的对流而使得物质无限混合。由于分子的极性不同以及物质的密度不同，地球内部将发生分异，而使得地球各层次的成分不同。同时，热传递是外层缓慢向内层发展的，这就导致地球在径向方向的差别。所有这些便使得地球的内部呈层状分布。 （二） 地球各层次之间的物质构成不同，这主要是由于两种过程——极性分异和重力分异而造成的。 极性分异是指地球岩浆中不同极性的分子相互分离。我们知道，当将这一些极性液体和非极性液体混合在一起，一旦静置，这些组成之间就将遵循“同性相溶”的规则而分层。在地球岩浆中也是如此。他们的极性成分主要是一些金属氧化物，尤其是铁镍的成分在金属中占绝对优势；它们的非极性成分主要是氧化合物，这是由于硅和氧是构成岩浆的主要物质。当然，在地球缓慢的冷却过程中，岩浆中的物质就将依照极性的分类而彼此汇合在一起。随着时间的延长，这种分类也就越彻底。我们所收集到的陨石类型就证明了这一点。这些来自一个爆发后的古老星球的碎片，要么完全是由铁镍组分所构成，根本不带一点硅酸盐的痕迹，要么完全是由硅氧化合物所构成，几乎没有金属成分。 重力分异是指不同比重的物质在岩浆中的上浮和下沉。木块在水中上浮，铁块在水中下沉。同样，在液态的岩浆中，金属组分的比重较大，而硅酸盐组分的比重较小。所以，比重大的组分，主要是铁镍化合物，向地球的深部进军，比重小的组分，主要是硅氧化合物，向地球的表层运动。经过长时间的分异后，金属化合物逐渐汇合到地球的内层，在这里集中而成为地核，而硅酸盐则逐渐地被淘汰到地球的外部，冷却而成为我们的地壳。 这样，地球的物质构成两极分化。随着地球深度的增加，金属所占的比例越来越大。在地面，主要是硅氧化合物所构成的岩石，而在地核，则基本都是金属矿物。我们在考察地球的组成时，首先就必须考虑到这一点。 （三） 地球不同层次的物理状态不同，这主要归因于热的传导性质以及物质的熔点不同。 地壳的形成造成了对热的屏蔽作用，在一定程度上减缓了地球的冷却过程，但是，热量的散失仍然没有停止，地球的温度仍然在逐渐地降低。不过，这层地壳却使得热量的散失方式起了根本的变化，热量不可能直接扩散到地球之外，而是要象金属导热那样逐渐而缓慢地从内层传递到外层。地壳已经非常厚了，高温爆发已经非常困难；地幔的岩浆已经非常粘稠，热对流也是一件接近不可能的事情了。热的散失只有一种方式，那就是热传导，而热传导是需要一定的温度差的，只有当地球内部比地壳还热时才能得以实现。这就导致两种结果：一、整个地球的温度都不太高，最热的地心也不过一、两千度；二、地球表面的温度非常低，只有300左右，也即室温。 每种物质都有自己的凝固点。当一种物质到达凝固点后，它的相态就将发生变化，将由液态冷凝为固态。地球中的物质正在经历着这种变化，这种变化包括两个方面：一、地球内部的温度已经不足以让高熔点物质保持融熔状态，象铁镍体、金刚石、金、铂等等都已经析出，它们的极少数仍然悬浮于熔浆中，而绝大部分都已经沉降，集中于地心而形成固体的地核；二、地球表面的温度更低，在这里热的散失太厉害，物质受到宇宙空间的直接冷却作用，就连熔点较低的硅酸盐都不能保持液态，这些从地球内部浮起的轻组分冷凝而成为地壳。 这样，地球的形态是这样的：最内层和最外层都是固态，只有中间一层才是粘稠的液态。随着温度的继续冷却，相变过程仍在不断地进行，在地核的表面以及地壳的内层，熔浆不断地冷凝为固体而粘贴上去。地核不断地加大，地壳不断地加厚，固一液分界面从内外两个方面不断地向中间推进，液态的厚度不断减小，直至熔融的岩浆层完全消失，这时，地球就是一个完全凝固的天体了。 （四） 地球的物质逐渐凝滞，逐渐地由活泼变为不活泼，地球的温度降低，地球的能量慢慢地消失。在地球早期，地球是一个燃烧着的火球，它的岩浆肆无忌惮地翻滚着，它的能量毫无遮掩地喷发着；随着温度的降低，岩浆变得粘稠了，物质的对流受到阻滞，能量也必须通过高温爆发才能喷射出来；当形成了一层地壳后，这就表现为“火山喷发”，大量的岩浆从地底下冲出，大量的热和能从地球中消失……。随着温度的降低，原来沸腾着的岩浆几乎变得死寂了，而且地壳越来越厚，要冲破这层地壳需要更大的能量，使得“火山喷发”越来越困难了，终于有一天，地下的岩浆太粘稠了，地壳太厚了，地下积蓄的能量太少了，再没有岩浆喷出地表。这时的地球就完全衰败了。 地球的第二种活动是地震作用。当地球形成了一层固体的外壳后，它的内容物的体积却不断地缩小，相对过大的地壳只好随之不断地褶皱和断裂。内容物的体积缩小主要有两个方面，一是火山爆发使得物质不断地抛射出来；二是热胀冷缩效应使得岩浆的体积收缩。在地壳形成的初期，火山爆发是频繁的、强烈的，大量的物质从地球内部跑到地球外表，这时地球内部的温度还很高，冷却速度还非常快，岩浆的体积收缩效应很大。综合二者的因素，地壳与内容物的“空隙”的产生是很快的，地壳频繁地断裂，地震频繁的发生。当地球已经相当冷的时候，火山爆发越来越小，冷却收缩效应也越来越不显著，内容物与地壳之间就没有很大的不适应了；而这时地壳越厚，断裂越来越不容易，地震将很少发生，直至有一天，地球彻底平静。 目前，地球上的火山爆发和地震不时发生。在地球的过去，火山作用和地震更加频繁更加猛烈，在地球的未来，这两种活动将更加缓慢和更加微弱。 八 地震 （一） 地球是正在缩小中的地球。它的地壳在不断地进行弯曲、褶皱以至断裂。另一方面，地壳是由岩石所构成的，是一个刚性的板块，在重力作用下所产生的弯曲是强制性的，它必然要产生应力。 地震便是这种应力所引起的。地震的发生释放了应力，但这种应力的释放则是由板块的断裂和相对位移来实施的。而这种断裂也不是一次完成的，而是经过无数次的弯曲→应力→应力释放（小断裂）→再弯曲的循环过程，每一次循环都有部分的岩石层发生断裂，甚至发生水平位移或者垂直位移。上一次的断裂为下一次的弯曲提供了可能，而下一次的弯曲又是上一次弯曲的继续，就这样，岩石一处处地断裂，地壳一层层地弯曲。这些小的断裂的积累就导致今天的大断裂谷。所以断裂的过程是无数次的应力释放过程，每一次应力释放都会使大地动荡，发生地震。 地球每年大约发生一百万次地震，其中至少有十次是灾难性的，有一百次是大地震。每年约有15,000人死于这类地震。1556年在中国北部发生的地震被认为是灾难性最大的一次地震，当时估计有83万人死亡。1923年东京地震，曾使这个城市受到很大的损失，并使143,000人丧失了生命。 这些运动如果是发生于地壳的深处，将只是进一步造成应力，当发生的是浅源地震，则在地表上有所表现。1906年，在圣安德烈断层北部，由于突然移动引起了一次大震（8.3级），地震时，在300公里长的地带上有强烈的地面波，在某些地方沿断层迹的地面发生了达6米的永久水平位移。1964年，安克雷奇附近的一次8.6级地震震撼了阿拉斯加中南部；数百平方公里范围的地面垂直运动，可以很容易地由于局部居于海洋岩石的生物，如藤壶和海藻，暴露到了海平面以上来证实；在一些地方其上升高度近10米。1976年河北唐山大地震中，大地发生的水平位移清楚地显示出来了，譬如原来成行的树木错开成为不连续的两行，原来成排的厕所被错开变得凌乱，它们错开的距离都大致相同，约1.2米左右；错动的方向也相同，都是按顺时针方向扭动；垂直方向的运动也有表现，由于上下错动，原来平坦的地面变成了一个个台阶，高度一般达50-60厘米。 （二） 这些地震都是发生在地壳的活动地带，哪里地壳的板块之间发生了相对运动，那里就会发生地震！哪里的板块之间的相对运动剧烈，哪里的地震就会强烈以及频繁！ 一般来说，地震带是与地球的缝隙相对应的，哪里的板块发生了断裂，哪里就有应力释放，这种应力释放就是地震。我们在前面已经详细地讨论过地球的板块断裂问题，据此，我们很容易找出地震经常发生的地带，地震带主要有以下几个区域： 1、环太平洋带。太平洋东岸是正在作相对垂直运动的大陆边缘，北美洲的落基山脉和南美洲的安第斯山脉正在相对于海底而上升；太平洋西岸是海沟一岛弧系统，欧亚大陆的重力使得板块从这里不断掰开。这两个地带正是地球上活动最剧烈的区域，断裂和相对运动正在方兴未艾地进行。约有百分之八十的地震能是在太平洋地区内释放出来的。 2、欧亚大陆的十字型断裂带。阿尔卑斯——喜马拉雅带是古大洋的中脊，板块在这里断裂并存在着相对垂直运动，但这种运动已经接近于尾期了，它正趋于平静，只有百分之五的地震能是来自这里的。 另一条断裂线是非洲的海岸及其在欧亚大陆上的延长线。非洲海岸是很明显的，但是其延长线却一直被科学界所忽略。这条延长线是从巴基斯坦与阿富汗的边界到苏联的鄂霍次克海的一条直线，它经由苏联与中国新疆的边界，苏联与蒙古的边界。苏联总在它的东部边境发生强烈的地震就是这个原因。 3、大西洋的十字型断裂。大洋中脊的地震处于海洋中间。一般都难以对人类产生影响。但是，与大洋中脊几乎垂直的，从加勒比海到直布罗陀海峡的断裂线，却为人们所瞩目。世界上的地震有大约百分之十是在这里发生，它横穿地中海，它使西班牙、意大利、希腊、土耳其、伊朗等等成为多震国家。值得注意的是，应该将这条地震线与阿尔卑斯——喜马拉雅地震线区分开，地震带都是很狭窄的，所有的地震都处于一条宽不足几百公里的带域上。在这两个地震带之间是相对平静的非地震区。 4、印度洋中脊。目前，它的断裂还刚刚开始，地震还不太显著。 除此之外，还有所谓的转换断层，例如北美洲西岸的加利福尼亚洲的圣安德烈斯断层、南美洲西岸的阿塔卡马断层。当板块的一端在外力作用上升时，整个板块都由于重力作用而趋向下沉，转换断层处就是发生断层下滑的地方，在这里也发生地震，但地震不太强烈。 （三） 我们最为关心的也许是发生在中国大陆上的地震。事实上，中国是一个多震的国家。是什么原因造成的？ 打开地图，我们将不难发现，中国的东南部过于突起，相对于两侧的太平洋来说显得过于狭长，这就导致这个多余的一角在重力的作用下向下降落，或者说，将它从欧亚大陆上掰开，从哪里断裂呢？当然是从最脆弱的地方。 从孟加拉湾的吉大港到中国东北角的海参崴作一条近似的直线，我们将不难发现如果要将东南角从欧亚大陆上掰开，这里是最容易的断裂之处。事实上，中国的大部分地震就是发生在这条线上。如1920年甘肃海原大地震（8.5级），1933年四川迭溪大地震（7.5级），以及1966年至1976年在河北邢台、吉林怀德范家屯、辽宁海城和河北唐山相继发生的大地震都处于这条线上！就连1556年发生的残废万人的中国陕西华县大地震也处于这条线。 除了欧亚大陆外，地壳其他地区的板块构造都非常简单和相对稳定。南美洲、北美洲、非洲、大洋洲都是一个完整的板块，在它们之上既没有缝合线也没有断裂线，地震完全集中于板块的边缘。但欧亚大陆却要复杂多了，它的古大洋中脊以及古断裂线仍在运动中，这使得欧亚大陆成为构造运动最强烈的大陆。西欧处于两条断裂线之间，它受到的地震的影响也最大。中国东南角的断裂是很特殊的，它造成了地球上独一无二的地震带类型。 （四） 地震之前要有一个应力的积蓄过程，这个阶段的时间越长，积蓄的能量就越大，地震就越剧烈。而这个积蓄阶段的长短，主要取决于岩石的坚硬程度。一般来说，岩石越紧硬，就越不容易断裂，断裂的临界值越大，一旦断裂，震级也就越高。 我们系统地考虑一下各种岩石的地震情况。假如岩石非常不坚硬，那么它们的板块间相对运动就不需要多大的力，随时都可以运动，应力在非常缓慢和平静地释放。对于中等强度的岩石，当能量积蓄到一定的程度就发生一次中级地震，再接着又积蓄一段时间发生下一次地震，如此类推，周期性地反复进行。但是，对于非常坚硬的岩石，情况就大不相同了，虽然能量已经积蓄很大了，但这块岩石仍然没有丝毫改变，只有到达临界值时，才突然一下子断裂，发生剧烈的地震，在此之前以及之后，有许许多多的缓冲地震，亦即前震和余震。 地震在断裂线上是连续迁移的，因为上一处的断裂消除了此地的应力，那么应力势必转移到下一个支承点上，在下一个支承点上积蓄能量并发生地震。例如，在1957—1960年间，发现智利地震在35°S和10°S之间反复向北迁移。迁移率从第一个周期的7.6公里/天增加到第四个周期的41.4公里/天。所有周期都从地震带的南端开始，向北移动。同样在1951年—1958年间发现了地震从加利福尼亚州直到智利的向南迁移。 当然，假如岩石的类型相同以及厚度相等，那么地震的迁移应该是非常有规则的，迁移的速度也保持不变。事实上，在一条地震线上，往往要经历几种不同的岩石类型。岩石越坚硬，积蓄应力的时间就越长，在此地的迁移速度就越慢，地震的烈度也就越大。因此，假如在一条迁移的地震带上发现地震间隔了很长时间，那么大地震即将来临！同样，由于岩石太坚硬，岩石发生断裂的范围也会改变，地震中心的距离缩短，在少数时候，整块岩石都必须一起断裂，这时地震中心的距离加长。 有时，地震的迁移也会突然呈现不规则的变化，在地震迁移线的前方发生逐渐向上推移的地震后，又突然在后方出现地震。这种地震主要有两种类型：一种是相对极小的余震，一种是相对极大的强震。前者是因为前方的地震带动后方的继续变形，前方的应力消除使得后方又承受了一些应力。后者是因为发生这次强震的地方，岩石过于坚硬，只有等到这条地震线上前方和后方的地区都已断裂，所有的能量都集中于这一点，才迫使它发生一次强烈的大地震！所以，在这次大地震前的地震迁移都是为这次地震作准备工作。一般地，同等烈度的地震总是有规律地迁移的。 总而言之，地震是应力的释放，哪里有应力哪里就发生地震。在同一条地震线上，我们先通过以前的资料总结出一条应力线，再减去已发生地震所释放的应力，哪个地方残余的应力越大，哪里就将发生地震。 （五） 火山是与地震同等壮观的另一个自然现象。它与地震一样，也是由于地壳的破裂而引起的，因此火山的主要活动带也在板块的交界处或断裂处。一般地，火山活动带是与地震带一致的，例如环太平洋火山带，阿尔卑斯——喜马拉雅火山带。但并不是每次地震都必然伴随着火山爆发，也不是只要有板块的断裂就可以造成火山。只有在板块断裂到一定的程度时，才可能形成岩浆通道，才可能出现火山喷发。在断裂的早期，板块的岩石之间还没有完全错开，地壳在此处还没有形成空隙，虽然地震不断发生，但没有岩浆可以钻出地表，中国东南部的地震就属于这种类型。在板块断裂的后期，准确地说，这时已是板块的缝合期了，原来的断开处在外力的作用下重新连接起来，空隙消失，在地震的同时没有火山爆发，苏联东南边镜的地震带就是这样。 在大洋中脊，地壳属于弯曲断裂，裂隙成为一条条张开的口子，岩浆沿着裂缝上升到地面，这种上升或者流溢是相对和缓的，没有爆炸现象。在海底的其他地方，也普遍存在着小裂隙，岩浆从这里逐渐挤出，而在海底形成一座座的火山。最富于破坏性的火山喷发是在岛弧系统，因为此处是地壳活动的热点。当岩浆中聚集大量气体，特别是粘稠的中、酸性岩浆，经常堵塞火山通道，而内部压力积累得极为强大，易于造成猛烈式爆发。由于火山口爆炸，岩石被炸碎，将大量气体、固体岩屑和岩浆团块喷向天空，而后再降落到火山口周围堆积。 近代历史中，几乎可以肯定的一个印象最深的火山爆发发生在1883年，当时克拉卡托火山岛确实被一个灾难性的爆炸摧毁了。火山的中心（位于印度尼西亚岛弧系统）在此次爆炸前已经至少休眠了200年。可以从喷发期间的一些观测记录得到这次喷发的巨大威力的印象。爆发时的巨响被描述成有史以来地球从未有过的最大声响，甚至在五千公里外的人单凭耳朵也可以听到它，而且全世界的仪器都可以收听到。这个声波曾绕地球好几圈。有二十立方公里的岩石变成碎片而被抛向空中；火山灰散落在77万平方公里的范围内，并使4万平方公里的天空变得昏暗无光，同时还在平流层中留下了大量尘埃，这些尘埃在以后许多年里使晚霞变得格外灿烂。当时产生了三、四十米高的海啸，它使爪哇和苏门答腊沿岸的36,000名居民死亡，它的震波在世界各地都能测到。 本文作者：段宗曜 hbhgduan@163.com 欢迎转贴 |