从物理学角度看板块深俯冲快折返假说
作者：jnscsh 时间：2022-03-17 09:12:29 浏览次数：次
1984年法国人Chopin和Smith，把地表中发现的柯石英(和金刚石)超高压变质体，认定是产生于上地幔的稳定相物质，提出了冷的地壳含石英岩石深俯冲到热的地幔中，经超高压变质形成柯石英，然后再折返回地壳并保留下柯石英；为了能在折返过程中保持柯石英不退变为石英，又提出了快速折返的观点，这就是著名的“地球板块深俯冲快折返”假说。
地壳俯冲是板块构造学说的重要内容，27年来，国内外发表了上千篇论文，板块深俯冲快折返假说成了地表柯石英形成机制的主流学说。
然而，国内外对“板块深俯冲快折返”假说一直存在激烈的争议。2005年以来，国内苏文辉教授在哈尔滨工业大学凝聚态科学与技术研究中心和吉林大学凝聚态物理系领导柯石英研究小组在国家自然科学基金非共识项目资助下，积极开展研究，提出了一种无需深俯冲快折返的地表柯石英形成新机制，引起了热烈的学术讨论。
近期在《地质论评》杂志刊出了苏文辉教授的新作《远离平衡相边界的柯石英形成机制及板块折返假说的物理基础》，从物理学的普遍规律、固体物质的结构与性质、高压高温相变规律和热力学的角度，对“地球板块深俯冲快折返”假说进行了分析和讨论，得到了许多新认识，预计将掀起物理学与地质学交叉学科间的学术争鸣的新浪潮。
柯石英是石英的同质异相矿物，石英在常温常压下稳定，而柯石英在高温高压条件下稳定，压力大于2GPa。持“板块俯冲折返”假说者把地球岩石圈看作处于热力学平衡态的静态稳定流体，算出2GPa相当于地下至少70km以上深处的压力，这时柯石英才能稳定存在。苏教授指出，从实际固体地球物质结构角度，静态流体模型显得太粗糙，太理想化，与实际相距太远。在实际固体地球中，特别是在岩石圈中，因组成物质、应力的不均匀性和小面积作用原理所形成的小尺度不均匀局域高压微区的存在，挤压、剪切等重要作用及其导致的形变、非晶化等效应，以及化学环境等的影响，在岩石圈浅部即可出现压力达到形成柯石英的局部区域；考虑到还有其它影响石英—柯石英高压相转变的因素，这些局部区域是处于非平衡状态的热力学系统，其相变模式比平衡态具有更大的普遍性、多样性。“70km以上深度”不是柯石英形成的必要条件。不能把石英-柯石英平衡态作为唯一态，否定众多更为普遍的非平衡态柯石英形成模式，从而以地表柯石英的存在推出板块深俯冲快折返唯一解。
按“板块俯冲折返”假说，板块俯冲-折返过程的时间为10～20百万年，这对地质学来说相当短暂，但对固态物质中的原子迁移和扩散，以及化学反应来说却十分漫长。从固态物质高压高温相变规律看，如此缓慢的温压条件改变，不可能形成淬火效应，使柯石英在折返回地表过程中保存下来，必然要转变为石英。如果按实验室中保存柯石英的最低淬火速度（50~100℃/s），则必须在几秒至十几秒的时间内从70km以下返回地表。另一实验中，在1000℃ 3.9GPa获得柯石英后连续卸压降温，如果时间持续达20小时时，柯石英绝大部分消失；40小时时，柯石英即完全消失。这也表明，如果现代地表发现的柯石英真的是从地幔折返而来，那么折返用时不能大于40小时。而这是不可能的。同位素地质学家获得的数据一致表明，“深俯冲”的地壳原岩与地幔物质的交换未达到平衡，从固态原子迁移和扩散的性质和行为看，首选的正确解读，应是壳幔物质没有经历过深俯冲过程；相反，如果表壳原岩深俯冲至上地幔，则必定建立同位素平衡。
柯石英常常被包裹于绿辉石、锆石、石榴子石等中，人们提出这些矿物对柯石英起到了“保压作用”，但柯石英同样可以以非包裹体形式存在，而且这些起“保压作用”的矿物往往已经明显地被柯石英所撑裂，所以包裹体并非保存柯石英的必要条件。另外，卸压降温临界速率的影响比包裹体对柯石英的“保压”作用更重要，因此，包含柯石英的包裹体，未必就是板块深俯冲快折返的超高压变质标志。
追溯原始文献，Chopin（1984，1987，2003）开创了研究地表柯石英超高压变质机制的先河，但是把固体地球视作大范围的静态流体平衡体系，沿用传统的压力—深度换算公式，缺乏科学根据地认定地表柯石英和金刚石超高压变质物就是地幔物质稳定相的全同物，为自圆其说，自然地（或不得不地）提出的“板块深俯冲快折返”假说，还存在很多根本性问题。把地表柯石英和金刚石超高压变质物看成地幔物质稳定相的全同物的观点奉为“范式”， 既回避了板块驱动原动力根本问题，又推出了板块深俯冲是超高压变质的唯一机制的结论。回顾历史发展过程，问题出在：忽视固体地球物质的成分、应力等局部不均匀性和其它非平衡热力学因素的影响，错用传统静态流体地球模型及其压力—深度换算公式，或成为后来误导的深俯冲研究命题。相反，如果用不均匀固体地球局域非平衡或局域平衡高压微区，则必然导致非俯冲假说。地球模型与压力计算是两种认识的分水岭。
从热力学、物理学、物质结构和高压高温相变的角度进行分析，板块深俯冲快折返假说的物理基础是脆弱的；从历史上看，板块深俯冲，提出有因，但缺实据。“发现于地表的柯石英，断言产生于上地幔”，“下地狱，返回天堂”，“天翻地覆”的“深俯冲快折返的壮观地质事件”，尚待科学事实去证实。
无需深俯冲快折返的地表柯石英形成新机制的少数派观点与结论，同“板块深俯冲快折返”主流派假说完全相反，其争论值得人们密切关注。