作者:钱维宏,北京大学物理学院
当珠穆朗玛峰的峰顶穿透云端,当青藏高原的冻土在阳光下折射出幽蓝的光泽,这片平均海拔4500米的高地始终在诉说着地球深处的秘密。作为世界屋脊,青藏高原与南侧的喜马拉雅山脉不仅是地理上的奇迹,更是地球动力学演化的天然实验室。从板块碰撞的宏观叙事到岩浆流体运动的微观机制,科学家们对这片高地形成的探索,恰似一场跨越上百年的解谜之旅。
传统理论的基石与困境
19世纪中叶,"造山运动"这一术语首次出现在地质学文献中,用来描述地壳物质大规模变形隆起的过程。当时的地质学家们观察到,地球上高大的山脉往往呈现出复杂的褶皱与断裂,仿佛被无形的力量剧烈揉捏过。20世纪60年代板块构造理论的兴起,为喜马拉雅山脉的形成提供了看似完美的解释——印度板块与欧亚板块的碰撞,就像两辆高速行驶的列车迎面相撞,巨大的冲击力使地壳物质堆叠隆起,最终造就了世界最高峰。
这一理论的证据链相当丰富:地质学家在喜马拉雅山脉发现了大量海洋生物化石,证明这片巍峨的山地曾是古特提斯洋的海底;通过古地磁测量,印度半岛的岩石记录显示它在过去1.3亿年里向北漂移了超过5000公里;而地震监测数据则持续记录着两大板块边界的挤压与滑动。按照板块构造理论的描述,约6600万年前,印度板块开始与欧亚板块发生碰撞,这一过程持续至今,导致青藏高原每年仍在以数毫米的速度抬升。
然而,当科学家们试图深入追问"碰撞的动力来源"时,理论的裂缝开始显现。如果把印度板块比作向北漂移的"大陆航船",是什么力量推动这艘"航船"以每年数厘米的速度穿越广阔的大洋?这艘船的碰撞体量(体积和质量)怎么抵得上如此庞大青藏高原的隆起?传统解释指向地幔对流——地幔物质的上升与下沉形成的传送带效应,但这种机制难以量化解释如此巨大的水平驱动力和抬升力。更令人困惑的是,为何碰撞带会形成青藏高原这样广袤的隆起区域,而非仅仅是一条狭窄的山脉?如果单纯是板块挤压,为何会出现"世界屋脊"与周边盆地的巨大高差?
另一种被广泛讨论的机制是大洋板块俯冲。当密度较大的海洋板块遇到大陆板块时,会俯冲到后者之下,将水和矿物质带入地幔,引发部分熔融和岩浆活动,进而导致地壳隆起。安第斯山脉的形成被认为是这种机制的典型案例,但青藏高原周边却缺乏明显的俯冲带证据。印度板块作为大陆板块,其密度与欧亚板块相近,按照常理难以发生传统意义上的俯冲,这使得板块碰撞理论在解释细节时显得力不从心。
地幔羽流假说试图从另一个角度破解谜题。该理论认为,地幔深处的高温物质会形成向上的热柱,如同炉膛中升腾的火焰,加热并抬升地壳。东非大裂谷的形成被部分归因于这种机制,但青藏高原的规模与连续性却与地幔羽流的点状分布特征难以匹配。更何况,人类至今没有直接观测到地幔羽流的物理结构,其存在更多是基于地表现象的推断。
李四光的地质力学探索
在中国地质学的发展历程中,李四光提出的地质力学理论为理解地壳运动提供了独特视角。这位卓越的科学家将地球视为一个动态的旋转体,认为地球自转速度的变化是驱动地壳运动的根本动力。当地球自转加速时,赤道地区的惯性离心力增大,地壳物质会向低纬度地区聚集;而当自转减速时,这种力又会减弱,引发物质的反向运动。
李四光的"大陆车阀作用"理论形象地描述了这种调节机制:地球自转速度增加时,大洋海水向赤道聚集,导致低纬度海面上升、高纬度海面下降;当自转减慢时,情况则相反。他发现这种海平面变化与造山运动存在时间关联——造山运动发生前往往出现低纬度海进、高纬度海退,而运动期间或之后则呈现相反的模式。这暗示地球自转速度的变化可能通过某种方式转化为地壳的水平挤压力,进而形成山脉。
在地质力学框架中,青藏高原的形成与纬向构造体系密切相关。李四光认为,南北向的挤压作用会使地壳物质发生褶皱和断裂,这些构造体系的相互作用造就了青藏高原复杂的地质结构。他特别强调水平地应力的作用,指出山脉隆起必须满足一个关键条件:向上的地应力必须大于岩石自身的重力。这一观点直指问题核心——无论何种动力机制,最终都要体现为足以克服向下重力的垂直向上力。
然而,地质力学理论也面临着严峻挑战。首先是地球自转速度变化的幅度问题,计算显示日月潮汐引力等因素导致的转速变化率极小,难以产生形成青藏高原所需的巨大能量;其次,大洋水体的流动性远大于地壳岩体,当地球自转变化时,海水可能更快地调整分布以适应新的平衡,从而削弱地壳运动的必要性。这些矛盾使得李四光的理论在定量解释方面存在明显短板,但他提出的"多圈层相互作用"和必须的"地应力分析"思路,为后续研究提供了重要启发。
岩浆流体的动力学新解
近年来,一种基于地球内部圈层之间角动量交换的理论逐渐引起关注,它将青藏高原的形成置于更宏大的地球地质演化背景中[1,2,3]。该理论认为,地球早期存在一个全球性的岩浆圈层,类似于包裹在地核外的"蛋白",而地壳则如同漂浮在岩浆上的"蛋壳碎片"。随着地球地质演化,岩浆圈层逐渐冷却形成地幔,但在地球地质演化的早期,岩浆具有广泛的流动性,这种流体运动成为驱动大陆漂移和山脉形成的关键动力。
在这一框架下,青藏高原的崛起与岩浆流体的辐合运动密切相关。就像大气中热带辐合带的气流正交碰撞会形成台风一样,岩浆流体的水平运动在特定区域发生正交碰撞时,也会产生强烈的垂直加速度运动。研究显示,南亚地区恰好处于两股岩浆流体的辐合带上——北侧的岩浆流体向东南方向流动,南侧的则向东北方向运动,二者的正交碰撞形成了向上的巨大地应力。地质上的地应力类似气象上的上拽力和天文上的膨胀力[4]。这是因为,两个水平矢量的正交碰撞,其叉乘结果是垂直的新矢量。
这种碰撞机制可以很好地解释青藏高原的带状分布特征。从喜马拉雅山脉到青藏高原主体,再向西延伸至伊朗高原和亚美尼亚高原,这一系列高地的排列并非偶然,而是岩浆流体在地球弯曲表面上运动的必然结果。当来自不同方向的岩浆流在辐合带相遇,其碰撞角度决定了地应力的方向与大小:当碰撞角在0°至180°之间时,地应力模(能量密度)的正弦函数值为正,产生向上的隆升力;而当角度在180°至360°之间时,正弦函数值为负,形成向下的俯冲力。
青藏高原的隆升正是得益于持续的正交碰撞——岩浆流体的水平运动动能转化为垂直方向的势能,当向上的地应力超过地壳岩石的重力时,便推动地块不断抬升。珠穆朗玛峰8848.86米的高度,意味着其下方的岩浆碰撞力需要克服数万亿吨的重力,这只有大规模的流体运动才能实现。有趣的是,这一理论与"山根"传统观点有所不同,它认为山脉高度与岩浆流体的碰撞能量直接相关,而非简单的地壳厚度堆积。
该理论还能解释印度板块的漂移动力问题。早期岩浆圈层与地核之间的角动量交换,导致岩浆流体产生定向流动,印度半岛作为漂浮在岩浆上的"乘客",自然会随着流体运动向北漂移。在地球地质演化的早期,当它抵达欧亚板块南缘时,非洲大陆和南美洲大陆也紧跟其后,并非印度半岛简单的"刚性碰撞",而是卷入了与岩浆流体的辐合系统中,岩浆流体与漂移大陆的共同正交碰撞形成了向上的地应力,最终才形成了青藏高原的主体。
未解之谜与探索之路
尽管岩浆流体动力学为青藏高原的形成提供了新解释,但科学探索的脚步远未停止。最关键的问题在于如何直接观测地球内部的流体运动——人类目前最深的钻孔也仅有十余公里,对于厚度近3000公里的地幔而言,这如同在苹果表皮划开一道缝隙就想了解果核的结构。地震波探测和地磁场反演等间接手段虽能提供一些信息,但分辨率仍显不足。
另一个挑战是时间尺度的跨越。青藏高原的形成历经可能不止数千万年和近亿年,而是地球地质演化早期就开始了的事件。地核与岩浆圈层之间角动量交换了多少次,岩浆流体的辐合作用就对青藏高原的隆起作用了多少次。地质学家们寄希望于沉积物分析、同位素测年等技术,通过岩石中保存的"时间密码"反推过去的环境变化。
构造与气候的相互作用也是未解之谜。青藏高原的隆升改变了大气环流模式,增强了东亚季风,而气候变化又会通过冰川作用、侵蚀过程反作用于地形演化。究竟是构造运动主导了气候变迁,还是气候变化影响了地质过程?目前的研究倾向于认为二者存在正反馈机制——高原隆升加强季风,季风带来的降水加速侵蚀,侵蚀产生的物质又改变了地壳负荷,进一步影响隆升过程。
在技术手段方面,数值模拟正成为重要工具。科学家们利用超级计算机构建地球内部动力学模型,将板块运动、地幔对流、岩浆活动等因素纳入其中,模拟青藏高原的形成过程。最新的模拟结果显示,岩浆流体的非均匀运动能够产生类似现实的地形特征,这为理论提供了初步支持[1,5]。但模型中仍有许多参数需要优化,如岩浆的黏度系数、地核与地幔的角动量交换效率等。
从魏格纳的大陆漂移说到板块构造理论,从李四光的地质力学到地球早期岩浆流体动力学,人类对青藏高原形成的认知不断深化。每一种理论都像拼图的一块,既解答了部分疑问,又引出了新的谜题。当我们站在珠穆朗玛峰脚下仰望峰顶时,看到的不仅是一座山峰,更是地球46亿年演化史的浓缩。未来,随着探测技术的进步和理论体系的完善,世界屋脊的崛起之谜终将被彻底揭开,而在这一过程中,人类对地球深部的理解也将达到新的高度。
参考文献
[1] 钱维宏 (2000) 大陆漂移的动力学模式和试验模拟结果. 地质力学学报, 6(1):15-21.
[2] Qian WH, Du J (2023) A Study on the Plate Tectonics in the Early Earth Period Based on the Core-Magma Angular Momentum Exchange. Open J Geology, 13: 598-621.
[3] Qian WH, Leung JC, Zhang BL (2023) An Orthogonal Collision Dynamic Mechanism of Wave-Like Uplift Plateaus in Southern Asia. Open J Geology, 13: 828-846.
[4] Qian WH (2025) Expanding force in astronomy and updraft force in meteorology. J Modern Physics, 16: 267-285.
[5] Qian WH (2023) A Review on the Study of Continental Drift and Numerical Simulation Associated with the Early Earth Core-Magma Angular Momentum Exchange. Open J Geology, 13:980-1006.
来源: 钱维宏