地狱 和 天堂

开篇

     佛曰:“我不入地狱,谁入地狱。”?

    地狱是什么样子?我们不知道,因为我们没有机会像佛那样“入地狱”去看一看。但在很多传说中,在我们的想象中,那里应该是烈焰蒸腾……如果地表以下100 公里深处算得上地狱的话,科学家们会高兴地告诉我们,一扇了解地狱的窗口已经打开,这就是位于安徽、湖北、河南三省交界处的大别山。这里有一些岩石曾经去过地下100公里的深处,在1000℃的高温和3?5GPa(3万5千大气压)的高压下经历过炼狱般的考验。谁又能想到,曾经历过炼狱煎熬的大别山已成为当代地球科学家研究自然奥秘的天堂!?

发现

  当你在大别山南部考察,你会看到一种橙黄和翠绿两色相间的岩石。事实上它主要是由石榴石和绿辉石这两种矿物组成的榴辉岩。地球科学家们说:“这种岩石是在近千摄氏度和几万大气压条件下形成的。“?

  岩石学家利用相图判定岩石形成的温压条件,通过高温高压模拟实验和物理化学相平衡计算,知道一定的矿物(或矿物组合)只在一定的温压范围内稳定。所以当在岩石中观察到某一矿物(或矿物组合)时,即可判断它们形成的温压条件。?

  石英是自然界非常普遍的一种矿物,其化学成分是二氧化硅,但在不同温压条件下,它可形成若干不同结构的变体。在高压下(400℃下,约2?4GPa, 900℃下,约2?9GPa),石英可转变为柯石英。拉曼光谱的特征谱线可以用来鉴别柯石英。榴辉岩中常含有少量石英,如果在其中发现了柯石英,就可以判断榴辉岩曾经历过至少大于2?5GPa超高压。如果高压下形成的榴辉岩以极快的速度降压,那么柯石英结构就得以保留(亚稳状态)。但在大多情况下,随着周围压力的逐渐降低,柯石英又会转化为石英。柯石英转化为石英时体积会增加,所以常常将它的寄主矿物石榴石挤出放射状裂纹,而由这种放射状裂纹就能判断这种石英可能是柯石英转变来的。?

  中科院许志琴院士于八十年代初首先在学术会议上报导了大别山榴辉岩中有柯石英假象,接着美国斯坦福大学的科学家用实验证实了大别山榴辉岩中有柯石英存在。?

  金刚石是另一种有效的压力指示矿物。800℃时,金刚石稳定的压力范围大于3?5GPa。俄国科学家在哈萨克斯坦的榴辉岩中发现了金刚石。在其启示下,安徽省地质研究所的徐树桐研究员于1992年在Science上报导了大别山五庙地区榴辉岩中有微粒金刚石存在,更进一步证明大别山榴辉岩曾到过 100km深处的地狱。?

  以后其它一些高压、超高压矿物(或矿物组合)的相继发现支持了上述论断。

  示踪

  氧同位素组成可以用来研究地球上不同来源的水与岩石之间的相互作用。氧同位素组成通常用δ相对于标准海水的千分变化来表示。海水的δ??18?0为0。雨水的δ??18?0为负,而多数岩石的δ??18?0为正。中国科技大学郑永飞教授和台湾学者同时在苏鲁地区榴辉岩中发现了δ??18?0很负的同位素组成,表明这种岩石曾经历过与雨水的交换作用。据此可以推论榴辉岩的原岩曾是大陆地壳的一部分,只有大陆地壳才有机会和雨水反应。这种岩石虽然到达过 100km以下的深度,但其过程必定很快,在深部停留的时间很短,因而来不及同地球深部岩石在高温高压下重新平衡,从而保留了地表的氧同位素记录。什么样的地球动力学机制可以把岩石推到地下100km的地狱,并快速返回地表是一个挑战性的课题,它吸引了中国以及世界各国众多科学家“万”里跃进大别山(包括其东延部分和苏鲁地区)。?

  计时

  地球科学家提出了许多不同模式,比较一致的看法是只有陆陆碰撞才能使大陆岩石进入到100km以下的地狱。

  根据海底扩张和板块运动学说,洋壳向陆壳之下俯冲,如在太平洋东西两岸以及印度尼西亚岛弧地区等,但这显然不是大别山陆壳俯冲的情况。当陆块之间的洋壳俯冲殆尽时,就将发生陆壳间的碰撞和俯冲,如现今的印度板块已俯冲到西藏之下,该处陆壳已有~70km厚度。

  当年中国华北和华南都曾经是位于北方超大陆(劳亚大陆)和南方冈瓦纳大陆之间的岛屿,华北先与西伯利亚板块拼接,然后华南(我们的讨论的部分称为扬子地块)与华北拼接,而拼接带恰在秦岭棿蟊饤苏鲁椣摺5被?焙脱镒又?涞拇笱笙?Ш螅?镒拥乜榧绦?虮痹硕??诘乜潜∪醮?⑸?寺侥诟┏澹?囱镒勇娇樵谄淝岸搜罂?/FONT>(较重)的拉力和陆块块体的推力作用下被压〖JP〗到了华北陆块之下,并一直向地壳深部俯冲。当达到一定深度,在地球深部(如 100km)压力条件下形成含柯石英和金刚石的榴辉岩以及其他超高压岩石。?

  放射性母体同位素通过放射性衰变会形成稳定子体,通过母体同位素和子体同位素的比值可以计算放射性体系封闭以来的时间,即岩石的形成年龄。而不同放射性体系封闭的温度是不同的,如稀土无素之一Sm的同位素????147?Sm可衰变为????143?Nd,封闭温度很高,达650℃以上;放射性????40?K衰变成为一种惰性气体同位素40?Ar,其封闭温度只有大约350℃。?

  借助于Sm-Nd同位素定年方法,中国科技大学李曙光教授于1989年首次测得大别山超高压变质作用距今为240-220百万年,这一结果后来被国内外学者的工作所证实,也与古地磁研究结果一致。?

  经过中外科学家,其中当然也包括中国科技大学科学家的努力,现在对于100km深处超高压岩石的折返和大别山的形成已有了初步的看法。即240- 220百万年前的扬子椈?甭娇榧涑鱿至舜舐綏大陆碰撞;陆壳岩石俯冲到地球内部100km以下,形成榴辉岩和其它超高压岩石;这些岩石很快折返到地壳底部 (约30km),在那里地壳发生熔融形成较轻的花岗岩,并于190百万年前夹带着超高压岩片上升到约10km左右。上述过程主要发生在现今大别山南部。经过约60~70百万年,由于太平洋板块与欧亚大陆东部的相互作用,大别山地区发生强烈岩浆作用,形成了诸如白马尖等大型花岗岩体,导致大别山进一步快速隆起。这次快速隆起主要发生在其北部,并波及到其南部。100百万年以来大别山仍在很缓慢地隆升,但那只是重力均衡的结果,与100和200百万年前强烈地壳运动已不可同日而语了。?

  大别山隆起时,风化剥蚀作用加剧,其剥蚀产物沉积到大别山附近的盆地中(也包括合肥盆地),所以研究盆地中的沉积记录,恰好可以回溯山体的隆起过程,得到的初步结果与研究山体本身的热冷却史记录可以相互验证。?

思考

   今天,行进在五大淡水水库围绕、绿野遍地,充满生机的大别山区,很难想象2亿4千万年前,构成大别山的部分岩石曾在地表100公里以下超高压炼狱中经受的考验,很难想象这些岩石从100公里以下到达地表的复杂历程。现代地球科学则可以从岩石、矿物、化学和同位素组成读出复杂的地球动力学过程,说出它们所经历过各种磨难与艰辛的故事。?

  但是上述故事仅仅是个开端,还有许多问题有待解决。如上述动力学过程的许多细节和参数尚有许多争议,俯冲的最大深度到底有多深,折返分阶段吗?这种超高压过程如何制约矿产的分布,乃至秦岭大别山脉对气候、生态、农业有什么影响,等等。有志于研究自然科学的青年朋友们,去研读大自然赐予的这本无字之书吧!?

  致谢:本文在成文时,得到地质组杨宏伟同学及魏春生博士的帮助,在此深表感谢。

  借此机会,衷心感谢地质组的每一位队员和两位顾问,感谢他们在这次活动中的辛勤劳动和出色表现。

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