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《青年科学》

开博时间:2016-11-21 21:22:00

《青年科学》杂志创办于1980年,是沈阳日报报业集团主管并主办的综合性期刊。辽宁省一级期刊,曾连续两届被国家新闻出版署评为“全国百种重点期刊”。

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认识地震--从认识地球开始

2008-12-27 21:54:05

  在茫茫宇宙中,地球是迄今为止所发现的唯一适合人类生存的行星,认识地球、了解地球是每一个人的愿望。

  真有十八层地狱吗

  在我国古代,有一种迷信的说法,罪孽深重的人,死后经阎王爷审判,将根据所犯下的罪行,被打入地下深处的十八层地狱,永遭惩罚,不得翻身。由此可见,古人把地球内部看成是黑暗、恐怖的另一个世界。

  地球内部到底是什么样子

  近代科学告诉我们,地球内部确实是分层的,只不过没有18层。从地表向下,可以大致分为3层,即地壳、地幔和地核。其中地壳最薄,如果用鸡蛋作比喻,地壳的厚度比鸡蛋皮厚不了多少。地壳还有另一个特点,就是薄厚不均,在大陆部分较厚,有的地方可达60公里;在大洋部分较薄,最薄处仅3公里,而且很脆弱。地壳通常进一步划分为两层,第一层为硅铝层,主要成分是硅和铝,与大陆块有关,代表性岩石是花岗岩。第二层为硅镁层,主要成分是硅与铁镁矿物,与大洋底有关,代表性岩石是玄武岩。地幔由上地幔、过渡带和下地幔组成,它们是熔融状物质,温度很高。当它受到外力作用时,能够变形而不致破裂。如果地壳的某个地方发生了裂缝,地幔上部的物质就会喷出地表,变成熔融赤热的熔岩,这就是火山喷发了。地核由内核、过渡带和外核组成,核心是与太阳表面温度相同的铁质球状体,大小同月亮相仿,处在地球内部5000公里的深处。如此说来,“地狱”应该是8层,而不是18层了。

  地球内部的分层是怎样得到的

  科学家们是通过对地震波的分析研究获得关于地球内部结构的信息的。地球内部的主要分层是根据压缩波(P波)和切变波(S波)的波速随深度的变化情况划分的,由于地球内部物质的质量不同,地震波的传播速率自然有不同的变化,因此可呈现不同的反应。

  20世纪后半期,地震学的进展,特别是采用仪器台阵,利用核爆破作人工震源,对各种波长和地球自由震荡数据做出精确的计算,根据地震波速随深度的分布情况,确认“莫霍面”为地壳和地幔的界限,在此界面上下,P波的波速从每秒6.5~7公里,突然增加到每秒8~8.4公里。地核与地幔的边界在2900公里深处,在此边界上下,P波速度从每秒13.7公里,突然降至每秒大约8公里,低于这个界面,S波不再传播。

  科学家们对地球的核心也有新的认识,认为地核并不是很硬,并且可能还在旋转。假如地核真的比原来想象得还软的话,那么,以往种种关于地核的理论问题也需要重新核实。因为地核离开地面太深,很少有“讯息”传来,所以我们至今对它了解得很少。

  地槽—地台学说

  如果把地球比成足球,活动带和稳定区就是足球的黑、白两色,演绎出多少令人如痴如醉的故事。地槽-地台学说首次区分出大地构造的这两大基本单位,使地质科学第一次发生了飞跃,也使大地构造学成为地质学中的哲学。

  1735年至1745年间,法国的测量队在秘鲁测量了纬度1°的距离,发现安第斯山高处的重力引力比根据那个山脉的质量的估算值小得多,他们用深部物质的热膨胀使接近地表的岩石圈上升来解释。1849年,普提比较了比利牛斯山脉和托卢兹,认为山脉岩块产生漂浮作用的原因是质量的不足。普拉特在研究喜马拉雅山麓之后提出:用热的稀薄化最容易说明许多山地非常高的现象。这就是著名的普拉特地壳均衡说。1855年,艾里提出了另一个地壳均衡假说,通俗地说是山有“山根”。

  阿巴拉契亚山脉是地槽的发源地。1842年,罗杰斯兄弟提出该山脉上升的原因是“被挤入地下的瓦斯突然地逸出”。1859年,霍尔根据古生代地层的岩性、厚度和强烈褶皱情况及其与邻侧的北美中部平原的对比,认为阿巴拉契亚山是地球上一个特殊的沉积区,它会转化为造山带。1873年,丹纳在讨论地球收缩和山脉成因时,提出了地槽的概念。1885年,徐士把北美中部平原那样的地区命名为地台区。

  地槽的发育要经历两大阶段。第一阶段以强烈下沉为主,堆积了厚达1~2万米的沉积物,伴随有玄武岩喷发。第二阶段以隆起为主(一般从中央部分先开始),沉积地层发生强烈的线状褶皱,伴以花岗岩侵入和区域变质作用。原先深陷的海槽变成了高耸的山脉,山前坳陷内堆积磨拉石。上升的山脉被不断地剥蚀夷平,地壳的活动性也迅速减弱。准平原化后,在褶皱基底上沉积了蓄层,这种构造单元叫地台。换言之,地台的基本特征是具双层结构;变质的褶皱基底及不整合面以上的盖层。

  地槽与地台有着根本性质的差别,分别代表了地壳的活动带和稳定区。在两者的转化关系上出现了两种绝然不同的观点。“泛地槽”论者认为地球形成初期全球皆为地槽,地槽变成褶皱带后发展成地台,沿这个地台的边缘镶边式地贴上新的褶皱带,使地台面积不断扩大。“泛地台”论者则认为地壳形成的初始阶段有一个全球性的原始古地台,因沿深大断裂作用而破裂,沿深大断裂发育成地槽。

  100多年里,有许多杰出的地质学家为完善和发展地槽-地台学说做出了杰出的贡献,使它的若干观点至今仍不失睿智的光芒。同时,今天我们在使用造山作用、造山带这些术语时,已有了完全不同于地槽演化的内涵。

  什么是地质作用

  使岩石圈(或地壳)发生变化的作用就是地质作用。使它发生变化的力量叫地质营力。

  科学家根据地质作用的速度把地质作用分为两类。一种是突发的或灾变性的地质作用,如火山、地震、海啸、山崩、雪崩、山洪和泥石流等。另一类是极缓慢而安静的地质作用,常不易被人觉察,如湖泊沉积作用、地表的沉陷、海岸的变迁等。沈阳附近的一座皇陵今天已被两米多厚的黄土覆盖了,每年约堆积1毫米左右,与华北地区普遍有百余米厚的黄土比较,堆积就是缓慢的了。

  根据地质营力还可把地质作用分为内力作用和外力作用。内力作用由地球内部的能——主要是重力能和放射性元素蜕变产生的热能所引起,或者说,内力作用就是要通过各种方式和手段——不管是突变的还是渐变的——来释放地球内部积累起来的能量。相应地,由地球以外的能源引起的是外力作用。太阳的幅射能是最主要的外力作用,有了太阳,才有昼夜的温差和一年四季,地球才有气候带;也因为有了太阳,才有了地球的生物圈。

  按这个逻辑,那地球表面不早就是一马平川了吗?地球表面之所以有高原和盆地的差异,就是因为有内力作用。大陆板块的碰撞,造成大面积的地壳增厚和隆升,如西藏高原;大量的岩浆活动则可以造成一个地区的热隆升。正断层活动则造成线形的沉陷带,像东非裂谷、山西地堑等。所以,今天能看到的高山深谷,都是年轻的(有的是还在进行中的)地壳运动的反映,而古老的高原或山脉则已被夷平了,像欧洲的华力西造山带,约在2.5亿年前形成,今天连丘陵都见不到了,只是地表有些起伏而已。

  大陆在漂移吗

  如果你注意一下世界地图,就会发现南美洲的东海岸与非洲的西海岸是彼此吻合的,好像是一块大陆分裂后,南美洲漂出去后形成的。1620年,著名的法兰西斯·培根就指出过这个事实。以后,法国的普拉赛、德国的洪堡都认为诺亚洪水时两大陆分离,原先的大西洋只是一条大河,诺亚方舟就在这条河里行驶。

  第一个从地质角度对大西洋两岸的两个大陆块的相似性进行分析的人是佩利格里尼。他在1858年写的《地球形成及其奥秘》一书中指出:欧洲和北美的煤层中有相似的植物化石,并作了两幅大陆拼合图说明两大陆分离前后的情景。1908年,泰勒为说明现代山脉的起源而提出大陆漂移说。他认为大陆壳像冰盖一样缓慢滑动,欧亚大陆南移,受印度半岛阻挡而形成帕米尔、喜马拉雅等强烈褶皱带;在东南亚,因阻力不大而形成马来亚岛弧。

  在学术界最具影响的大陆漂移说是奥地利气象学家魏格纳提出的。他为了解释古气候的问题:为什么热带的羊齿植物曾在伦敦、巴黎甚至格陵兰生长,而巴西、刚果曾被冰川覆盖?1915年,他发表《大陆及海洋的起源》一文,充分论述大陆漂移的证据。他认为:全世界实际上只有一块大陆,称泛大陆。硅铝层比硅镁层轻,就像大冰山浮在水面上一样,又因为地球由西向东自转,南、北美洲相对非洲大陆是后退的,而印度和澳大利亚则向东漂移了。泛大陆的解体始自石炭纪,经二叠纪、侏罗纪、白垩纪和第三纪的多次分裂漂移,形成了现在的七大洲四大洋。

  著名的版块学说

  如果把地槽-地台学说的提出理解为地质学的第一次飞跃,那么板块学说的诞生无疑是地质学的第二次革命,甚至有人把它与哥白尼提出日心说在天文学界引起的革命相提并论。

  1944年,霍姆斯提出地幔对流——热对流理论;地幔内的流体上升到大陆中央并向左右散开,大陆就从这里向两边裂开,这就是大陆漂移的动力源。基于海洋地质工作的进展,赫斯在1961年提出大洋中脊是新地壳不断生成的地方。狄茨、瓦因、马修斯等人1963年论证了洋底扩张的存在,即:地幔对流驱使超基性物质从大洋中脊裂缝中上升,产生新的洋壳,促使较老的地壳向外推移并进入海沟,俯冲到地幔中而消亡。1964年,柯克斯编制了340万年的磁场反向年代表。1965年,威尔逊提出了转换断层概念,将大陆漂移和洋底扩张结合成全球活动带和刚性板块的学说,并称之为“地球的诗篇”。1968年,勒皮雄把全球岩石圈划分为六大板块,即:太平洋、欧亚、印度、非洲、美洲及南极板块,其中仅前者由洋壳组成,后五个既包括了海洋地壳也包括了大陆地壳。

  随着新理论的出现和新方法的应用,地质科学的第三次革命是不言而喻的。板块构造的简单模式也许会被放弃,但它倡导的活动论的观点、全球构造的观点和多学科协同攻关的方法等将得到发扬光大。

  地壳的变形

  非永久性变形—地震

  构造地震是地壳深处积聚的能量突然释放的结果,即:一旦积聚的弹性应力超过了岩石的强度极限,岩石突然破裂,产生一个冲击力。在地震波及的广大区域内(常以万平方公里为数量级),岩层只是传递应力(弹性波传播的介质)而没有造成永久性的变形(除形成地裂逢的震中区外)。

  地震除了发生在陆地上也可发生在海洋里,并伴随着海浪高达十几米的海啸。海震常使海底地形发生改变,使铺设好的海底电缆发生折断和移动。

  连续性变形—褶皱

  到野外去观察岩层,既可看到它们是平展地一层叠一层,也可看到它们已发生了弯曲,但岩层的连续性和完整性还没有被破坏,即褶皱变形。单个的弯曲称褶曲,一系列褶曲连在一起组成褶皱。褶皱的规模不一,形态各异,还常能见到大褶皱里套着小褶皱,新褶皱里包着老褶皱;大多数褶皱表现为曲线,流畅飘逸,也有的褶皱表现为折线,有棱有角,挺拔潇洒。尤其是在由不同颜色、不同粒度的岩层间,褶皱像是大自然的墨宝,被许多奇石爱好者观赏和收藏。

  几百米甚至上千米厚的岩层能发生这样强烈的褶皱,层间滑动起了决定性的作用。就像弯曲一本书那样,在平行书脊的方向上很容易使书弯曲,因为书页间互相滑动,要使书脊发生弯曲就困难了。这类褶皱称弯曲褶皱,岩层的层面未受破坏。岩层在高温高压下发生粘滞性流动也可以形成褶皱,其形态复杂,形状无一定规律,称流动褶皱。这类褶皱中岩层的原始层面已遭破坏。

  不连续变形—断裂

  断裂是指岩层被断错或发生裂开。根据其发育的程度和两侧岩层相对位错的情况把断裂分为三类。一类叫劈理,是微细的断裂变动,还没有明显破坏岩石的连续性。第二类称节理,是岩层发生了裂开但两岩石没有发生明显的相对位移的断裂变动。如果断裂的岩石已发生了明显的相对位移,则称断层,是最重要的一类断裂。断层可分为基本的三类;正断层、逆断层和平推断层。如果把这三类断层与形成的构造应力联系起来,通俗地说,正断层由拉张应力引起,逆断层是挤压应力的结果(故常造成地壳的缩短),平推断层则与剪切应力有关,其断层面接近直立。

  地质学领域一系列重要的革命性学说,不断向我们提供了与人类生活最密切的地壳整体演化的生动图景,对人类自然观的形成和深化产生了重大影响。

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