构造与沉积——谁是鸡谁是蛋？
作者:中国地质大学(北京)能源学院 毛小平
地表物质迁移决定一切，迁移量的大小决定构造活动的强度。地幔柱、地幔对流、板块碰撞、板块拖拽等是构造运动的结果，而不是原因。
在地球科学中，两个最重要的地质理论地槽学说和板块学说争论了很多年，但其本质问题-地壳运动的驱动力一直没有很好地解决。《Science》2005年列出了当代未解决的125个科学问题（Richard A. Kerr，2005），其中第10项“How Does Earth’sInterior Work”提出，在很大程度上对此驱动力一无所知。
目前关于地壳运动有多种假说，归纳起来有来自于地球内部的内因、来自于外部的外因两大类。
来自于地球内部的假说有：地球内部热力、地幔柱、地幔对流、地幔密度异常、固体潮、均衡作用[4]（Airy G. B., 1855）、涌流构造、放射性、板块拖拽力、火山活动、俯冲作用、地球脉动说、羽流说、岩石圈伸展、地球涨缩等。他们认为地表的一切表现均是构造运动的结果。
来自于外部的因素有：地球自转离极力、行星撞地球、地表过程等。其中地表过程越来越受到重视，阐明气候、潮汐、地下水、风暴、剥蚀等会反作用于岩石圈，但并不是主要因素(Wang,2014)。
事实上，地球动力学应包含两个方面来看，一是地壳运动的触发因素；二是其驱动力。其中，第一个核心问题“是什么因素能持续地触发地壳运动、能否从地质历史上地壳运动减弱或停止中找到原因”，是本文的核心。近年来，很多学者比较关注板块构造最最初始是如何启动的(Rey,2014; Robert J Stern,2001)，但其实板块可持续运动才是最重要的。要想直接证明该科学问题，难度大。于是本文拟采用排除法和类比法，去掉大多数假说，从而遴选得到最优解。
2.来自于雪球地球的启示
地球周期性地气温变化已成共识，其中雪球地球引起了地学界和气象学界的关注。目前特别关注雪球地球产生的原因及形成的起止时间，却忽略了这期间一个有趣的现象：地壳运动在这个期间极不活跃甚至停滞！在古元古代休伦冰期，缺乏被动的边缘沉降和相对板块运动被抑制，板块运动速度降由9cm/a低降至2cm/a[12]（Christopher J. Spencer,2018, Nature Geoscience），为嘛？没人说。Stephan认为造山带的累积长度越长，大陆的碰撞就越频繁[13]（Stephan V. Sobolev, 2019,nature），而古元古冰期和震旦纪大冰期期间造山带长度为0，间接说明了构造活动强度弱。最新的第四纪发生了四次冰期，冰期内几乎没有火山活动(如图1)(刘嘉麒和郭正府, 1998），而在温暖的间冰期，火山活动频繁，均超过8次(图1)。近年来的研究揭示气候和火山活跃程度之间存在明显的联系，即，在间冰期期间，火山活跃程度将会增强(Sigvaldason et a1.,1992; Jellinek et al., 2004)。
对地壳运动和气候变冷这两个现象的关系，多数学者认为是地壳运动控制着气候变化，这似乎又到了鸡和蛋谁先谁后的死循环了。但更多证据显示，气候变化不是地壳运动引起的(Molnar,1990)。Hays(1976)认为，地球轨道几何学的变化是第四纪冰期演替的根本原因(Hays, 1976, Science文章)。Zachos(2001) 根据深海氧、碳同位素分析认为，新生代以来，气温经历了2次高温和多次冰期多个周期，温差达到20℃；第四纪也经历了4次冰期和间冰期(图1)。显然，几万至几十万年的短时间气候变化，不可能用构造变动来解释, 而气候-地表过程是可以作用于构造的(Zeitler et al.,2001, Willettet al.,2006). Rampino(1997)认为气候的变化会导致地壳的应力变化，例如，冰和水质量的加载和减负，以及轴向和旋转速率的变化，这些变化可能会增加火山（和地震）的潜力。Adams(2017)认为美国的奥林匹克山脉上新世-更新世冰川气候对地形有强烈控制作用。
因此，前述雪球期间构造活动减弱或停止，往往被反过来说，是构造活动停止导致了雪球事件，把构造当成玉皇大帝，甚至决定气候，此错误天理难容！
于是，我们自然会提出疑问，对地壳运动的内因假说而言，如地幔对流、地幔柱，板块拖拽，无论地球是否处于冰期（雪球地球），地表水体是否变成冰，这些假说所提出的地球动力学机制也应该起作用，地球活动强度不应受到抑制。而事实恰恰相反，这些“动力”不给力，或不争气，地球在冰期则地壳运动减弱了，无论冰期很长或较短（2亿年或0.1百万年），只有在温暖的间冰期地壳才恢复较强的活动性。我们自然会思考，水是否起了某种关键抑制作用？水似乎起到了地壳运动的开关的作用，在冰期是关闭状态、在温暖的间冰期是开启状态。
其它行星是否也有类似情况？Connerney(1999)发现火星南半球古老高地有一组交变磁极性的准平行线性特征(Connerney,1999, Science文章)，说明火星曾经存在板块构造。目前因平均气温为-60℃，其地壳运动几乎停止，这相当于 “雪球火星”。在邻近的金星呢，一样！板块构造只在地球上活动，而不在金星等其他行星上活动(Karato,2014)。行星类比结果可以看出，如果行星根本没有水、水被冻住了，则地壳运动停止或减弱，如金星、月球、现在的火星和冰期的地球；有可流动的水时地壳运动被激活，如现在的地球和过去的火星。因此，可以认为，地壳运动的触发因素可能不是来自于地球内部，而是外部因素。
3.现代地壳活动性的特征
研究还发现，存在着大量的，在更小的时间尺度和空间尺度条件下的地壳活动性，也具有类似的现象。图2(a)为2012-2018年全球MS5.0级以上地震发生的次数随纬度变化的直方图，可以看出两极几乎没有地震发生（洋中脊除外）。到目前为止，仍然有一些重大的地学问题是，如两极地区的板块边界并没有地震（或较少地震），用板块构造的理论是无法解释的（马杏垣，1989）。图2(b)为板块运动速度随纬度变化的散点图（数据来自于马宗晋，2003），其中，在低纬度地区地壳运动速度快，而在两极运动速度慢。图2(c)显示了全球1000年来发生火山喷发的次数随纬度变化的直方图，其中，较冷的南极和北极火山喷发次数少得多。
图 2 地壳活动性和纬度的关系
图2(d)为1901-1985年全球强震活动释放能量在不同时间段的纬向分布 (宋贯一，1999)，也显示了相似的规律。
还有一些时间尺度更小的地壳运动现象，如Westaway(2006)发现了一些季节性地震活动与季节性气候是相关的。我们统计了历史上著名的十多次超大型火山喷发事件，发现在北半球高纬度地区的火山喷发事件几乎发生在温暖的季节，而不是冰冷的冬季。
从表面上看，温度似乎越低，地壳活动性越弱，温度越高，地壳运动强烈；而其本质是，温度大于0℃后，水能使正地形（高海拔)地区的地层侵蚀掉，由水的流动搬运物质，并堆积在负地形地区，即，表生过程，（或地表过程，新发明的词儿）。有沉积的地方，几乎被称为“拉张断陷”，这几乎成铁律了，因为构造第一位的，是鸡，而沉积是第二位的，是蛋，试问，渤海湾盆地、华北平原是负地形地区，正在拉张吗？全球多少负地形地区，且正在接受沉积，也同时在沉降，它们都是在“拉张”？显然不是。黄河绕鄂尔多斯盆地形成的几字型造就了多少个“断陷盆地”，也统统被称为是“拉张断陷”，试问，这种几字型怎么拉？力如何使？套铁律易，动脑筋难。
高纬度地区侵蚀营力弱，大型湖泊可保存很久，水体较深，如贝加尔湖730米(纬度54ºN)；中、低纬度地区侵蚀营力强，大型湖泊易被改造和填平，很难见到水深较深的湖泊，如青海湖平均仅18.6米(纬度37ºN)。图2d为我们根据Syvitski(2008)的成果统计了全球的河流悬浮泥沙入海数量和纬度的关系。可以看出中低纬度物质迁移量大，侵蚀、搬运和沉积等地表过程会使地球表面的物质被重新分配，物质迁移速率高达20600MT/yr。
为此，提出一个假说，在地球表面有物质迁移时，由于重力均衡作用，会存在对岩石圈的某种影响，从而将会触发了地壳运动，且迁移强度越大，构造活动越强烈。
图3 悬浮泥沙量与纬度的关系
中国地质大学(北京)
毛小平地质论文选登