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东非大裂谷的成因探析

投稿时间:2017-07-20 11:06 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

素有“地球伤疤”之称的东非大裂谷(East African Great Rift Valley),是一个从新生代开始,至今仍在形成中的、全球大陆上最大的断裂带,它的长度相当于地球的半径。东非大裂谷宽处达200公里,深处达1到2公里。它南北纵贯东非高原和埃塞俄比亚高原,整个形状近似为一个大致南北走向的不规则三角形。其南点位于莫桑比克的入海口,北点远到巴勒斯坦与约旦之间的死海,两点间构成裂谷最长的近6000公里的东支;西支从马拉维湖西北端开始,经坦噶尼喀湖、基伍湖和蒙博托湖等,向北直到苏丹境内的白尼罗河谷,全长1700多公里。 

一、裂谷成因疑难

东非大裂谷的成因机制,一直是困惑地质界的大难题。早前曾有人提出,其成因可能与该地区之下的地墁柱异常活动有关。据杨光河2014年7月14日在科学网的博文“让美国科学家困惑的东非大裂谷”介绍,美国政府最近几年曾投资500多万美元专门对此课题立项,美籍华人高尚行教授也参与了该项目的研究。他们对纵贯东非南北长达7000公里的大裂谷的地震接收函数剖面进行了研究,使他们更加困惑的是,该地带之下并不存在上地墁异常,他们的结论是:东非大裂谷的成因与地墁柱无关。 

我在近日(7月17日)投稿本栏目的“角动量守恒对地球洋陆分离及板块运动速度的影响”一文的写作过程中,突然发现:是陆地与海洋板块的角动量守恒产生的自转速度差异以南北走向撕裂了东非,形成了大裂谷。板块构造及洋底扩张假设已有大量的观测依据,我认为其相关的假设及理论基本上都是对的,只不过对于东非大裂谷的成因还需另加一力学因素。下面我们以角动量守恒定律来考虑这一外加力学因素的产生和影响。 

二、角动量守恒使洋、陆板块随地球的自转速度发生了分化

我们观察龙卷风及水流漩涡,若不考虑流体的粘滞系数,各流体质点的运动都遵从角动量守恒定律:mvr=常数,半径越小,线速度越大。

地球从最早的泛海期开始,直到如今的洋陆分化,在地质史的大尺度上,海洋越来越深,最深处大致平坦的洋底越来越大。假定地球上的海水总体积不变,陆地会越来越高或陆地面积越来越大。海岸或近岸海沟越来越陡峭。当然这里忽略了近年来气候变暖对两极冰川融化的影响。

随着陆地的抬升或陆地面积的扩大,在大陆板块区域会有更多的地球圈层质点从小半径区转移至大半径区(这些质点相对于海平面的升高)。随地球自转,根据角动量守恒定律,那些陆地区半径增大的质点自然自转速度变慢,结果就是相对于地球自转,陆地板块向西漂移。

对于大洋板块,随着洋底变深和最深洋底的平展扩大,有更多的地质构造质点随地球的自转半径减小。角动量守恒强迫它们的自转速度变快,使得各大洋板块向东漂移。

对于岩石圈来说,随地球自转的线速度与所处的纬度有关,越向两极线速度越小。因此纬度越低,越靠近赤道,这种陆西洋东的漂移趋势越明显。

三、岩石圈板块漂移的四大驱动力

上述这种洋东陆西的漂移方向总趋势,在各大洲与各大洋的海岸都很明显。大洋板块的面积越大,这种效应越突出。在东岸太平洋板块向南北美洲插入和靠近的速度远大于西岸。在地球洋、陆分离的早期,陆也没那么高,海也没那么深,这种效应并不突出。随着海洋越来越深,陆地越来越高,洋、陆板块随地球自转速度的东、西方向的分化越来越大。这种由于角动量守恒产生的洋、陆板块差异旋转构成了地球岩石圈板块漂移的一种重要驱动力。它是我最新提出的关于地球岩石圈板块漂移的第四驱动力。

我在前面关于地球物理学的多篇文章中,提出了岩石圈板块之下软流层中轻流质由低向高或由压强大向压强小的方向的流动,由它拖曳着其上方的岩石圈板块缓慢运动而产生的对板块漂移的驱动力,为第一驱动力。它也是在地球最早期的地壳刚形成时就伴随着出现的驱动力。

各大板块在地球自转离心力的纬度差异下还产生一种离极向赤的漂移力,这种驱动力对于洋陆板块都是相同的,我们将其简称为离极向赤驱动力,它是第二驱动力。

原来提出的由近日点及赤、黄夹角引起的背日固体潮汐引起的板块漂移,应属于第三驱动力,它对南、北半球及洋、陆板块的影响是不同的。

四、东非大裂谷的成因

我们先考虑第一种驱动力,印度洋板块中、东部的洋脊扩张带,大致有南北走向,南部东西走向,另外西部和北部有东西与南北走向相结合的拐角形式。这些走向的洋脊扩张,使印度洋板块向东西南北四个方向都产生扩张力。第二和第三驱动力主要使印度洋板块产生北向的漂移。

在考虑第四驱动力时,无论洋脊扩张带的存在与否,整个洋底岩石圈部分应视为一个板块整体,都有向东漂移的趋势。第四驱动力成为了裂谷的主要成因,因此已经插入进东非大裂谷以东区域的地下的那部分自然就应该看作是属于整体印度洋板块。大裂谷以西则是受第四驱动力影响的非洲大陆板块。

第四驱动力使非洲大陆板块向西漂移,使印度洋板块东向漂移。两大板块的东、西背向漂移,撕裂出了东非大裂谷。第四驱动力虽然不是整个印度洋板块向北偏东漂移的主要驱动力,但它已经成为了影响东非大裂谷形成的主要因素,第二和第三驱动力成为次要因素,而第一驱动力在东非大裂谷的成因中则成为更次要的因素。因此,整个印度洋板块的运动方向是北偏东,它一直插入我国的青藏高原之下,从青藏高原到内蒙的三角区域都受到明显的影响。从上面的分析可以看出,东非大裂谷的形成与软流层以下的地墁柱活动确实没有什么关系。这也与有高尚行教授参加的、美国科学团队得到的地震接收函数剖面数据一致。

与东非大裂谷相关的阿拉伯板块大致呈西北与东南走向的长方形分布,其东南端受印度洋板块向北东方向漂移的拖曳,向北东方向的运动明显;而其西北端则受欧亚大陆西行的推动,有向西和稍微向南运动的趋势,因此阿拉伯板块呈现跷跷板样的运动模式。因为第四驱动力受地球自转离心力的影响,越向北越靠近赤道,这种驱动力越大,越向南靠近南极洲,这种驱动力越小。因此在大裂谷的北端已经形成了波斯湾和红海,越向南裂谷越小,当南端到达莫桑比克入海口处已经基本消失。

如果印度洋向北一直通连到北冰洋,东非大裂谷可能就不是现在这种情况。自从印度洋形成以后,东非大裂谷就开始了孕育。当然,东非大裂谷在地表的出现时间肯定要晚于印度洋的形成时间。由于非极区的大洋—太平洋和大西洋都是贯穿南北半球,仅印度洋独居南半球,它与非洲大陆板块共同北临全球最大的大陆——欧亚大陆,才使得南半球的洋、陆差异自转独自撕裂了东非大裂谷。

由角动量守恒引起的洋、陆板块自转差异在其它地方也有类似的表现。大陆的东海岸或大洋的西海岸的近海处往往有比较多的从大陆上撕裂出来的岛屿,在反方位则明显见少。总之,主要是角动量守恒引起的高、低不同的洋、陆板块的自转速度的差异撕裂出了东非大裂谷;四种力的相互作用驱动了地球岩石圈各大板块的复杂的漂移运动。

王孝恩 20170720