從物理學(xué)角度看板塊深俯沖快折返假說

1984 年法國人Chopin和Smith，把地表中發(fā)現(xiàn)的柯石英(和金剛石)超高壓變質(zhì)體，認(rèn)定是產(chǎn)生于上地幔的穩(wěn)定相物質(zhì)，提出了冷的地殼含石英巖石深俯沖到熱的地幔中，經(jīng)超高壓變質(zhì)形成柯石英，然后再折返回地殼并保留下柯石英；為了能在折返過程中保持柯石英不退變?yōu)槭ⅲ痔岢隽丝焖僬鄯档挠^點，這就是著名的“地球板塊深俯沖快折返”假說。

地殼俯沖是板塊構(gòu)造學(xué)說的重要內(nèi)容，27年來，國內(nèi)外發(fā)表了上千篇論文，板塊深俯沖快折返假說成了地表柯石英形成機制的主流學(xué)說。然而，國內(nèi)外對“板塊深俯沖快折返”假說一直存在激烈的爭議。2005年以來，國內(nèi)蘇文輝教授在哈爾濱工業(yè)大學(xué)凝聚態(tài)科學(xué)與技術(shù)研究中心和吉林大學(xué)凝聚態(tài)物理系領(lǐng)導(dǎo)柯石英研究小組在國家自然科學(xué)基金非共識項目資助下，積極開展研究，提出了一種無需深俯沖快折返的地表柯石英形成新機制，引起了熱烈的學(xué)術(shù)討論。近期在《地質(zhì)論評》雜志刊出了蘇文輝教授的新作《遠(yuǎn)離平衡相邊界的柯石英形成機制及板塊折返假說的物理基礎(chǔ)》，從物理學(xué)的普遍規(guī)律、固體物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、高壓高溫相變規(guī)律和熱力學(xué)的角度，對“地球板塊深俯沖快折返”假說進(jìn)行了分析和討論，得到了許多新認(rèn)識，預(yù)計將掀起物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)交叉學(xué)科間的學(xué)術(shù)爭鳴的新浪潮。柯石英是石英的同質(zhì)異相礦物，石英在常溫常壓下穩(wěn)定，而柯石英在高溫高壓條件下穩(wěn)定，壓力大于2GPa。持“板塊俯沖折返”假說者把地球巖石圈看作處于熱力學(xué)平衡態(tài)的靜態(tài)穩(wěn)定流體，算出2GPa相當(dāng)于地下至少70km以上深處的壓力，這時柯石英才能穩(wěn)定存在。蘇教授指出，從實際固體地球物質(zhì)結(jié)構(gòu)角度，靜態(tài)流體模型顯得太粗糙，太理想化，與實際相距太遠(yuǎn)。在實際固體地球中，特別是在巖石圈中，因組成物質(zhì)、應(yīng)力的不均勻性和小面積作用原理所形成的小尺度不均勻局域高壓微區(qū)的存在，擠壓、剪切等重要作用及其導(dǎo)致的形變、非晶化等效應(yīng)，以及化學(xué)環(huán)境等的影響，在巖石圈淺部即可出現(xiàn)壓力達(dá)到形成柯石英的局部區(qū)域；考慮到還有其它影響石英—柯石英高壓相轉(zhuǎn)變的因素，這些局部區(qū)域是處于非平衡狀態(tài)的熱力學(xué)系統(tǒng)，其相變模式比平衡態(tài)具有更大的普遍性、多樣性。“70km以上深度”不是柯石英形成的必要條件。不能把石英-柯石英平衡態(tài)作為唯一態(tài)，否定眾多更為普遍的非平衡態(tài)柯石英形成模式，從而以地表柯石英的存在推出板塊深俯沖快折返唯一解。按“板塊俯沖折返”假說，板塊俯沖-折返過程的時間為10～20百萬年，這對地質(zhì)學(xué)來說相當(dāng)短暫，但對固態(tài)物質(zhì)中的原子遷移和擴散，以及化學(xué)反應(yīng)來說卻十分漫長。從固態(tài)物質(zhì)高壓高溫相變規(guī)律看，如此緩慢的溫壓條件改變，不可能形成淬火效應(yīng)，使柯石英在折返回地表過程中保存下來，必然要轉(zhuǎn)變?yōu)槭ⅰＨ绻磳嶒炇抑斜４婵率⒌淖畹痛慊鹚俣龋?0℃/s～100℃/s），則必須在幾秒至十幾秒的時間內(nèi)從70km以下返回地表。另一實驗中，在1 000℃ 3.9GPa獲得柯石英后連續(xù)缷壓降溫，如果時間持續(xù)達(dá)20小時時，柯石英絕大部分消失；40小時時，柯石英即完全消失。