海洋地质译著


共161张图,17个表格
海洋地质学
(海底地形和生物)
JON ERICKSON 著
目录
0绪论
1蓝色的地球
1.1海洋和宇宙的起源
1.2海洋的一般特征
1.3古大西洋
1.4泛大洋
1.5 特提斯海
1.6 大西洋
2海洋勘探
2.1 海底勘探
2.2海底勘探
2.3地质观测
2.4大洋钻探
2.5磁法勘探
2.6 卫星遥感绘图
3活动的海底
3.1岩石圈板块
3.2洋壳
3.3岩石循环
3.4大洋盆地
3.5 海底峡谷
3.6 微板块和地体构造
4大洋中脊和海沟
4.1 大洋中脊
4.2 热机作用
4.3 海底扩张
4.4 玄武质岩浆
4.5环太平洋带
4.6 深海沟
4.7 板块俯冲
5 海底火山
5.1 活火山带
5.2上涌的岩浆
5.3 岛弧
5.4 平顶海山和海山
5.5 裂隙式火山
5.6热点作用
6 深海流
6.1海底河流
6.2 厄尔尼诺
6.3 深海风暴
6.4 潮汐流
6.5 海浪
6.6 地震海波
7 海岸地质
7.1沉积作用
7.2风暴沉积
7.3 海岸侵蚀
7.4 浪击作用
7.5 海岸沉降
7.6 海侵
8 海洋财富
8.1 海洋法规
8.2 油气
8.3矿产沉积
8.4 海洋能
8.5 收获海洋
9 海洋生物
9.1海洋生物多样性
9.2 海洋生物种类
9.3深海生物
9.4珊瑚礁
9.5火山口生物
9.6 潮间带生物
10 独特的海底地貌
10.1 泥火山
10.2 海底热泉
10.3 海底滑坡
10.4 海蚀洞
10.5 海底陨石坑
10.6 海底火山爆发
专用名词术语表







致谢
作者感谢下列组织为本书提供了照片:美国航空与宇宙航行局、国家海洋和大气局 、美国工程兵部队、农业部林业局、 农业部土壤保护局、美国国防部原子能机构、美国能源部、美国地质勘探局、美国海洋管理局、海军和伍兹霍尔海洋研究所。
作者也感谢Sir Ernest Shackleton, Jon Erickson, S. Jeffress Williams, Peter Barnes, Ellen J. Prager.

































绪论
在地球上存在有许多水,或许我们更应该称它为水球。地球是太阳系中已知的唯一被水所包围的天体,水中有独特的地质构造和丰富的、令人吃惊的海洋生物。地球上一些奇特生物的祖先可以追溯到数十亿年以前,它们生活在深海底部。世界上大多数未开发的资源位于海底,因此海底是寻找矿物资源的新领域。
海底与大陆地形不同,它以崎岖的地形为特征。呈十字形的海底巨大山脉比陆地山脉延伸得更远。尽管海底山脉位于水下深处,但是地球上的大洋中脊具有最易于识别、最显著的特征,其面积比所有陆地山脉面积加起来还要大。在大洋中脊熔融的岩浆渗出地幔,不断产生新的海底;在海沟处,海底消失在大陆和开阔海岛弧之下。在全球构造中,深海沟处的洋壳俯冲起了重要的作用,并解释了地球不断形成过程中巨大的地质力量。
大量的火山隐藏在海面之下,大多数不断重新形成地表的火山活动产生在海底。从海底上升的活火山形成了最高的山脉。事实上,世界上大多数岛屿开始时均呈水下火山喷发状态,这些火山后来才冲出海面。然而,大多数海底火山并没有暴露在海面之上,而是呈孤立的海山。许多大洋中脊呈现奇异的景观,由高大烟囱渗出热的、富矿水在冷的黑暗深海中维持不寻常生物的生活,而过去这些生物对于科学来说是未知的。
巨大的洋流是把水和热分配到世界各地的主要传输系统。与陆上巨大峡谷相对应的裂谷通入地壳深处。大量的海底滑坡在大陆坡上切出深谷,并在海底沉积了大量的堆积物。偶尔,海底滑坡也会产生巨浪冲击附近的海岸,对海岸社区造成许多巨大的破坏。具有强水流的深海风暴搅动海底,掀起巨大的沉积物泥块,强烈地改变了海底的面貌。海底冲刷和大量沉积物的沉积作用产生了非常复杂的海洋地质学。
海底存在着最奇特的地貌特征,具有许多独特的地质构造。奇特的海山象火山一样喷出泥浆而不是喷出熔岩。沿海底分布有许多奇怪的火山沉积物,包括枕状熔岩堆积、丛状的黑烟囱与白烟囱和海底间歇泉,间歇泉把温暖、富含矿物质的水喷出地表,形成了大量的羽状堆积体。活跃的海底世界具有大量的海蚀洞、蓝洞、火山口和由海中爆炸及陨石撞击所形成的巨坑。以上这些仅仅是海底许多神秘现象的一些例子。









1 蓝色的地球
在漫长的地质历史时期,20多个海洋已随着大陆漂移和汇聚成为超级大陆而消失。大约1.7亿年前,一个名为联合古陆(希腊语意思是所有陆地)的超级大陆分裂成为现今的大陆,形成了目前的海洋。在分裂之前,周围一个巨大的海洋称为泛大洋(希腊语的意思是宇宙之海)围绕着超级大陆。在超级大陆重新组合之前,所有的大陆环绕一个古大西洋,称为亚皮特斯海。在很久以前,大陆再次形成超级大陆,其分裂产生整个新海洋,它参与了生命大爆发。地球形成不久,可能在全球洋底产生了生物进化。
1.1海洋和宇宙的起源
在地球形成期间,许多小行星和彗星撞击年轻的地球和月球(图1-1)。一些陨石是由岩石和金属组成的;另一些陨石是冰质的,由冰冻的气体和水组成;许多陨石还含有碳,好象煤从天空下雨一样。可能这些富碳陨石含有有机分子,生命从此便开始向前演化。由岩石碎屑和冰组成的彗星也与地球碰撞,释放了大量的水蒸气。这些宇宙来客的排气作用主要产生二氧化碳、氨和甲烷,这些气体是最初大气的主要组分,大约在44亿年前开始形成。


图1-1从阿波罗8号宇宙飞船上观察到的月球表面,地球已升起月平线(得到了美国航空与宇宙航行局和美国地质勘探局的许可)
在地球内部,由于岩浆的排气作用产生了大量的水蒸气和其它气体。岩浆中含有大量的挥发性物质,这些挥发性物质主要由水和二氧化碳组成。地球内部巨大的压力使挥发性气体保存在岩浆中,当岩浆上升到地表时,随着岩浆压力降低,其中溶解的水和气体就会强烈地散逸。因为地球内部是炽热的,岩浆含有比目前更丰富的挥发性气体,所以早期的火山爆发非常强烈。
不久,地球上存在由二氧化碳、氮气、水蒸气和其它从火山中喷出气体组成的原始大气。空气中饱含水蒸气,大气压是今天的许多倍。最初的大气中二氧化碳是目前大气中二氧化碳含量的1000倍。幸运的是因为当时太阳的辐射热量大约是目前的75%,强烈的温室效应使得地球没有结冰。地球的高速旋转使它也保持了热能,当时一天只有14个小时。
地球的表面是炽热的,有持续的风暴作用。龙卷风吹过,凶猛的沙尘暴吹过地球干燥的表面卷起了悬浮沉积物,非常像今天火星上的沙尘暴(图1-2)。强烈的闪电在空中飞旋,巨雷产生巨大的地震波在空中回响,一座又一座火山剧烈地喷发,白炽的电火花照亮了天空, 涌出的炽热熔岩在陆地上流淌。


图1-2 漂砾原野中可见岩石埋在来自火星尘埃风暴的细粒沉积物中(得到了美国航空与宇宙航行局的许可)
随着巨大的地震使薄薄的地壳裂开,不平静的地球也随之裂开。大量的岩浆从裂缝中流出,巨大的熔岩流淹没地表形成平坦的平原,其上有高耸的火山。强烈的火山作用也把大量的火山碎屑物质带入空中,在空中产生红光。火山尘埃使地球变凉,并且使尘埃与周围的水蒸汽结合在一起。
随着大气温度的进一步下降,水蒸气冷凝成大块的云团遮盖地球,完全遮挡了阳光,使地球表面漆黑一团。随着大气继续冷却,大雨倾盆,洪水泛滥,狂暴的洪水像瀑布般沿陡峭的火山斜坡和巨大陨石坑的周边向下飞流,在岩石平原上挖出深深的峡谷。大约40亿年以前,大雨停止, 天气最终变得晴朗,地球变成了由2英里深的海洋所覆盖的巨大蓝色球体,其上点缀有火山岛弧链。

表1-1地质时间表

年龄(百万年)

最先出现的生物

新生代

第四纪

全新世

0.01

 

更新世

2

上新世

7

乳齿象

中新世

26

剑齿类、虎

第三纪

渐新世

37

 

始新世

54

鲸鱼

古新世

65

马、鳄鱼

中生代

白垩纪

135

鸟类

侏罗纪

190

哺乳动物、恐龙

三叠纪

250

 

 

二叠纪

280

爬行动物

宾夕法尼亚纪

310

 

石炭纪

 

 

密西西比纪

345

两栖动物

泥盆纪

400

昆虫

志留纪

435

鲨鱼

奥陶纪

500

陆生植物

寒武纪

570

海洋植物、有壳动物

元古代

700

无脊椎动物

2500

后生动物

太古代

3500

最早的生物

4000

最古老的岩石

4600

陨石

1.2海洋的一般特征

在格陵兰西南部的一个遥远山区(图1-3),Isua地层的变质海洋沉积物为早期海洋提供了强有力的证据。当时的陆壳可能只是它目前体积的十分之一,并含有长条形花岗岩,它自由漂浮在地表水之上。Isua岩石是火山岛弧成因的,因而可以相信在地球形成初期,板块构造起了重要作用,该岩石是最古老的岩石,大约产于38亿年前,表明当时地球含有大量的水。

在巨大的陨石撞击地球的末期和大约38亿年前最初的沉积岩形成期间,大量的水在地表泛滥。由于火山喷出氯和钠,所以海水可能开始变咸,直到约5亿年前海水才达到目前的盐度。从那时起到现在海水盐度保持恒定。然而,海水化学成分的明显变化常常与生物大爆发和生物绝灭有关。

 

图1-3在格陵兰西南部的Isua地层的位置,此处有地球上最古老的岩石

在地球发展早期, 大量的燧石证明大多数地壳被海水淹没。 燧石是最硬的矿物,它从深海富硅的水中沉淀而成。由于海绵,硅藻这样的生物吸收硅来建造其骨骼(图1-4),所以现代海水中硅的含量不足。在过去的6亿年间,大量的硅藻土沉积对这些生物做出了巨大的贡献。在距今1千万年前到4百万年前期间,丛状硅藻属遍布太平洋东部热带地区,当丛状硅藻属下沉后, 在数百万年间缓慢聚集,被保存在海底。

 

图1-4 来自马里兰卡尔弗特县Choptank地层中的硅藻(由G.W.Andrews提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)

表1-2生物的兴起和绝灭

生物

兴起

绝灭

哺乳动物

古新世

更新世

爬行动物

二叠纪

晚白垩纪

两栖类

宾夕法尼亚纪

二叠纪—三叠纪

昆虫

晚古生代

 

陆生植物

泥盆纪

二叠纪

鱼类

泥盆纪

宾夕法尼亚纪

棘皮动物

奥陶纪

晚二叠纪

三叶虫

寒武纪

石碳纪和二叠纪

菊石

泥盆纪

晚白垩纪

头足类、鹦鹉螺

奥陶纪

密西西比纪

腕足类

奥陶纪

泥盆纪

笔石

奥陶纪

志留纪和泥盆纪

有孔虫

志留纪

二叠纪和三叠纪

无脊椎动物

早古生代

在早期的海洋中海水含十分丰富的硫,硫很容易与金属铁化合形成硫酸盐。最早的生物是产生硫代谢的细菌,类似于那些管状生物,它们存在于靠近东太平洋中脊并且分布于全球其它十二个大洋中脊之上的含硫热液出口处。由于大气和海洋中缺少大量的氧气,所以细菌通过还原硫酸根离子获得能量。原始细菌的生长也受到了海洋中产生的有机分子数量的影响。
从大陆渗滤的铁及溶解于海水中的铁不断与海水中的氧发生反应,在浅海大陆边缘形成了大量的矿石沉积。富铁和贫铁的沉积层交互出现(互层)使矿石呈条带状,称为条带状铁矿(BIF)。当时海水平均温度可能比现在要高。当富含铁和硅的温暖洋流向极地流动时,突然变冷的海水不再使矿物溶解而产生沉淀。由于两种较重的矿物硅和铁的沉降速率不同,所以形成了互层沉积。在全世界广泛开采的条带状铁矿提供了超过90%的铁矿资源。原始的植物通过光合作用产生了氧气,间接形成了地球上的铁矿。
实际上,当最初生命出现时,大气中并不含有目前21%的氧气。由于海水中溶解金属的氧化作用和海底热液出口喷出气体的减少,氧的含量很低。海水中含有许多铁,它与由光合作用产生的氧反应形成一个有利的循环,因为氧气对原始生物也有害。
约20亿年前,当大多数溶解铁沉淀在沉积物中之后,氧的含量开始升高,并且取代了海洋和大气中的二氧化碳。距今21亿年、17亿年、11亿年和7亿年前,在超级大陆裂解和新洋盆形成期间,剧烈的板块构造运动使氧含量产生了波动。
大陆内部是由古老变质岩组成的绿岩带(图1-5),它是地球发展历史早期板块运动的最好证据。绿岩带中的蛇绿岩杂岩体是由漂移板块挤入的洋底板片组成,其形成时间约36亿年前。蓝片岩是板块运动造成的俯冲洋壳逆冲在陆壳之上的变质岩。呈管状玄武岩喷出海底的枕状熔岩也出现在绿岩带中,表明火山喷发作用产生在海底。



图1-5 太古代的绿岩带组成了古老的陆核。
实际上,板块构造从地球开始形成时就起了重要的作用。在地球形成后的几亿年间,大陆从其产生时就一直处于漂移之中。这种构造运动可以由具有40亿年历史的片麻岩证实,该片麻岩是加拿大西北部的一种变质花岗岩,表明此时地壳正在形成。毫无疑问,这种片麻岩的发现证明在地球最初形成的二十亿年中至少地表存在几块小陆壳。
最初的北美大陆叫劳亚大陆,由六个主要的陆块组合而成,称为克拉通(图1-6),大约18亿年前,使其成为最古老的大陆之一。在当时,位于哈得逊湾的Cape Smith是一块挤入陆地的洋壳,该证据表明大陆碰撞并包围了古海洋。岩浆弧穿越加拿大中部和东部进入达科他州,在加拿大大熊湖和波沸特海之间有古老山脉的山根,它是由劳亚大陆与一块年龄超过10亿年的未知大陆碰撞形成的。



图1-6 包含北美大陆的克拉通
追溯到前寒武纪末期,大约7亿年前,所有陆块聚集成一个超级大陆,其中心位于赤道。泛大洋大约位于现今太平洋海区,环绕泛大陆。在6.3亿年~5.6亿年前,泛大陆迅速裂解为4个或5个大陆。随着大陆的离散和下沉,海水涌入其内部,产生了广阔的大陆架。大多数大陆在热带区域挤成一团。在温暖的寒武纪海洋中,这种背景孕育着新生命大爆发时期的到来。

表1-3 生物圈的进化

事件

十亿年前

生物顺序

氧气的百分含量

结果

充满氧气的条件

0.4

鱼、陆生植物和动物

100

接近目前生物条件

有壳动物的出现

0.6

寒武纪动物群

10

洞穴居住

后生动物的出现

0.7

埃迪卡拉动物群

7

最初的后生动物化石和遗迹

真核细胞生物出现

1.4

较大细胞

>1

红层、多细胞生物

蓝、绿藻

2.0

海藻的藻丝

1

氧气新陈代谢

最初的藻类

2.8

叠层石

<1

开始光合作用

生命的起源

4.0

轻碳

生物圈进化

 

1.3 古大西洋
大约5亿年前,环绕大陆的巨大水体称之为古大西洋(图1-7),这些大陆是前寒武纪超级大陆裂解而成的大陆。在南半球,大陆板块的运动将现今的南美、非洲、澳大利亚、南极洲和印度大陆联合在一起形成了超级大陆,称之为冈瓦那大陆,它是以印度中东部一个地质省命名的。


图1-7 约5亿年前,环绕大陆的古海洋称为古大西洋
现在的澳大利亚就位于南极圈冈瓦那大陆的北部边缘,许多热带的蕨类植物舌羊齿属的化石出现在南部大陆和印度大陆的煤层中,它们的叶子外形就像羽毛一样。北部大陆缺少植物化石表明先前存在的两个大陆一个在南半球,另一个在北半球,其间被广阔的海洋分开了。
古大西洋的形成产生了广阔的内海,这些内海淹没了许多古代的北美大陆(劳伦古陆)和古欧洲大陆(称之为波罗的海)。古大西洋的面积与现今北大西洋的面积非常接近,且占据同样的位置。大约在5.7~4.8亿年以前,从佐治亚洲到纽芬兰连续的大陆海岸线表明这个古代东海岸面对的是一个广阔的深海,这个深海从东到西至少有一千英里,向南部有大量的水体。
火山岛屿分布于古大西洋,类似于现今东南亚和澳大利亚之间的太平洋海域。大约4.6亿年前,古海洋近岸的浅海中含有大量的无脊椎动物,包括三叶虫、椭圆型的节肢动物,这些生物占当时所有生物的70%,其化石也被收藏家所喜爱。最后,三叶虫衰退,与此同时软体动物与其它无脊椎动物在整个大洋中繁盛起来。类似于海绵和珊瑚这样的瓶饰古杯动物(图1-8)建造了最早的石灰质珊瑚礁,最终,它们在寒武纪绝灭了。



图1-8 古杯动物建造了最早的石灰岩礁
大约在4.2~3.8亿年以前,劳伦古陆与波罗的海发生碰撞,关闭了古大西洋。这次碰撞使两个大陆结合在一起形成了一个巨型的劳亚大陆,以加拿大劳亚省和欧亚大陆命名。欧亚大陆是当时最大的大陆,由大约12个独立大陆板块在5亿年前拼合在一起所形成的(图1-9)。


图1-9 组成欧亚大陆的克拉通
在劳亚大陆形成期间,当大洋地壳板块携带岛屿俯冲到波罗的海之下时,在两个大陆之间的岛弧就被抬起来了,并且与大陆边缘相连接。这样的俯冲作用使岛屿与大陆相碰撞,并且沉积在目前挪威西海岸先前被淹没的岩石上,位于西欧的陆片被称为地体,它从古代非洲漂移到古大西洋。同样,来自亚洲的长条形地壳漂过古太平洋形成了北美西部的大部分地区。
1.4 泛大洋
在整个地质历史时期,许多小的陆块通过碰撞、聚集形成了较大的大陆。数百万年后,大陆裂解,裂谷被海水充填形成新的大洋。然而,在当时的太平洋盆地边界地区显然没有发生过碰撞,因而,太平洋仍是一个古残留洋,称之为泛大洋,泛大洋的变窄与变宽和大陆裂解、离散及目前大西洋的会聚作用相对应。
在大西洋盆地附近,当大洋重复性开闭时,一个独立大洋逐渐在太平洋盆地所在的位置连续保存下来。大约在1.7亿年前的侏罗纪早期,联合大陆解体,太平洋板块还没有现今的美国大。其余洋底由一些其它未知的板块组成,随着太平洋板块的逐渐生长,这些板块也就逐渐消失了,结果造成现存的大洋地壳年龄没有超过侏罗纪的。
大约18亿年前,几个微大陆开始碰撞,经过相对短暂的1.5亿年后,北美内部的劳亚大陆、格陵兰大陆和欧洲北部就聚集在一起。通过零碎的大陆和年轻火山岛链的聚集,劳亚大陆继续生长。大约在7亿年前,劳亚大陆与位于它东南边缘的另一块巨大大陆相碰撞,这样就产生了位于赤道中部的超级大陆。在现今的太平洋所在位置有一个超级大洋包围着这个超级大陆。
当劳亚大陆与波罗的海碰撞形成劳亚联合大陆时,位于泛大洋处的岛弧开始与目前北美的西部边界相碰撞。侵蚀作用使陆地削平,浅海海水流入大陆,洪水覆盖了大半个陆地表面。陆表海和广阔的大陆边缘具有稳定的海洋环境,使得海洋生物繁盛,遍及全球。
从3.6~2.7亿年前,冈瓦那大陆和劳亚大陆汇聚成联合大陆。联合大陆横跨赤道,从南极延伸到北极(图1-10)。大约在2.1亿年前,联合大陆的面积达到了最大,其面积大约有8000万平方英里,占据了整个地球表面的40%,超过1/3的地表被海水覆盖。在南、北半球,陆地面积大致相同,而现在大约三分之二的大陆位于赤道北部,赤道以南则10%为陆地,90%为海洋,一个超级大洋横跨整个地球,而大陆则被挤到地球的一边。


图1-10 超级大陆的范围几乎从南极延伸到北极
在联合大陆形成之后,海平面下降到最低位置,由于大陆内部的蒸发作用,使内陆海后退。连续的浅海边缘围绕着整个联合古陆,没有较大的障碍物阻碍海洋生物的分布。然而,当海水退到大洋盆地时,大部分大陆架暴露出来。
当时的大陆边缘比现在的大陆边缘分布更狭窄。由于海平面下降了500多英尺,使得海洋生物的栖息地限制在近岸地区,结果,浅水海洋生物的栖息地受到了限制,造成了较低的生物多样性。在二叠纪时期海洋生物非常稀少,有许多固定生活的动物和少量活动的食肉动物。在晚二叠纪冰川期之后,海水温度很低。企图逃避灭绝的一些海洋无脊椎动物只能生活在靠近赤道的一条狭窄区域。需要温暖浅海条件才能生存的珊瑚也受到了极大的打击,其主要证据是在中生代开始时缺失珊瑚礁。
1.5 特提斯海
劳亚古陆位于北半球,与其相对应的冈瓦那大陆则位于南半球,这两个大陆是被一个巨大的近赤道浅海(称为特提斯海)所分隔(图1-11),其名称取自希腊神话海之母。当联合古陆聚集后,特提斯海成为一巨大的港湾分隔联合古陆的南北两支,其形状类似于一横跨赤道的巨大字母C。



图1-11约4亿年前,环绕大陆的古大洋称为特提斯海
特提斯海是一条宽阔的热带海上航道,其范围从西欧到东南亚,拥有许多海港和丰富的浅海生物。在特提斯海,造礁作用十分频繁,形成了厚层的石灰岩和白云岩,其下埋有大量的生物。因为赤道比其它地区拥有更大范围的浅海水域,所以热带地区就成为生命进化的发源地,为新生命的进化提供了特殊的环境。
在中生代,一条内海流入北美的中西部地区,淹没了现在由墨西哥东部、德克萨斯南部和路易斯安娜州组成的地区。海水也侵入了南美、非洲、亚洲和澳大利亚。陆地被夷平,山脉被削低,当时的海平面比目前的海平面要高,厚层的石灰岩和白云岩沉积在欧洲和亚洲的内海中。后来,这些岩层被抬升形成了阿尔卑斯山脉和喜马拉雅山脉。
新生代早期,高海平面继续淹没大陆边缘并形成了巨大的内陆海,一些内陆海把大陆一分为二。海洋把北美分为落基山脉和高原区,南美被分为两部分,后来成为亚马逊盆地,欧亚大陆被连在一起的特提斯海和新形成的北冰洋所分隔。
在赤道地区,特提斯海使大洋互相连通,提供了一个独特的环绕全球的海流系统,该系统把热能传向世界各地并保持了一个异常的温暖气候。较高的海平面减少了陆地的总面积,或许当时的陆地面积只是目前陆地面积的一半。约八千万年前,西部白垩纪海道内(图1-12)是一浅海,它把北美大陆分为西部丘陵地带和东部高地,西部丘陵地带由新形成的落基山脉和孤立的火山组成,东部高地由阿帕拉契亚山脉组成。



图1-12 白垩纪时期的古地理,显示了内海,虚线表示古大陆
白垩纪末期,随着海平面下降,海水从陆地退出,特提斯海的温度开始下降。白垩纪末大多数喜暖生物种类,尤其是那些生活在热带特提斯海的生物消失。对温度最敏感的特提斯生物群遭受了最大的毁灭。当海水温度下降时,喜欢在特提斯海温暖水域生活的物种急剧减少。
白垩纪末期消失的主要海洋生物种群包括海洋恐龙、菊石(鹦鹉螺的祖先)、双壳蛤类(巨大珊瑚状蛤)、其它类型的蛤和牡蛎。在新生代海洋中,除了鹦鹉螺和缺壳的生物种属外(包括乌贼、章鱼和鱿鱼),所有有壳的头足类缺失。由于鱿鱼直接与鱼竞争,所以灭绝对它们没什么影响。
在大灭绝中幸存的海洋生物与中生代的生物十分相似。因为海洋比陆地有较长的环境条件记录,需要更长时间加热和冷却,所以海洋对生物进化过程有适度的影响。那些栖息在不稳定环境(高纬度地区)中的海洋生物种属,特别容易生存。滨外生物种属比动荡的近岸水域生物种属进化得更好。
大约五千万年前,随着非洲和欧亚大陆碰撞,特提斯海变窄。大约在二千万年前,特提斯海完全关闭。特提斯海的厚层沉积物把冈瓦那大陆和劳亚大陆分开,并且在其北侧和南侧褶皱抬升为造山带(图1-13)。在大陆之间的连接部位形成了一个巨大的造山带,使阿尔卑斯山脉和欧洲其它山脉隆升,把特提斯海从中挤出。



图1-13 大陆挤压形成的活动褶皱带,此处大陆构造板块碰撞,就像非洲大陆与欧亚大陆碰撞一样
随着非洲大陆挤入欧亚大陆,当连接印度的大西洋和特提斯海关闭时,沿山脉和两个主要的内陆海产生碰撞,古地中海和由里海、黑海与咸海组成的复合体称为类特提斯海,它包括了现今东欧的大部分地区。大约在一千五百万年前,地中海从类特提斯海中分离开来,变成了咸海。此后,大约在六百万年前,地中海的海水蒸发,留下了一个巨大的深坑,其底部在炽热的阳光下烘烤。相邻的黑海(古特提斯海的残留部分)可能经历了相似的命运。
1.6 大西洋
大约1.7亿年前,在现今加勒比海产生的巨大裂谷开始把泛大陆分裂成今天的大陆(图1-14)。裂谷向北切穿了连接北美、非洲的西北部和欧亚大陆的大陆地壳,使大陆产生分离。在此过程中,该区破裂并被海水侵入,形成了初始的北大西洋。在数百万年内沿数百英里宽的区域产生了裂谷。与此同时,印度板块与澳大利亚板块发生碰撞,南极板块从非洲板块分离向东南漂移,形成了原始的印度洋。



图1-14 泛大陆裂解:(1)2.25亿年前;(2)1.8亿年前;(3)1.35亿年前;(4)0.65亿年前
大约裂谷作用开始后的五千万年,最初的北大西洋深度超过了2英里。它被活动的大洋中脊系统一分为二。随着板块携带周围大陆的分离,大洋中脊系统产生了新的洋壳。同时,开始形成南大西洋,象拉链一样从南向北裂开。裂谷以每年数英寸的速率向北张开,相当于携带南美和非洲两大板块的分离速率。南大西洋张裂的整个过程仅用了五百万年。
泛大陆的裂解挤压了洋盆,造成海平面上升,海水侵入陆地。泛大陆裂解之后,大陆快速漂移而不是以恒定速率漂移。大西洋的海底扩张速率与太平洋板块俯冲的速率一致,一个板块潜入另一个板块之下,形成了深海沟。古老洋壳的俯冲作用解释了为什么海底的年龄没有超过1.7亿年的。
八千万年前,北大西洋完全被海水所覆盖。两千万年后,中大西洋裂开进一步形成北极盆地,把格陵兰从欧洲分离出来。除了横跨格陵兰岛的陆桥继续允许生物在两个大陆迁移外,北美大陆不再与欧洲大陆相连。阿拉斯加和亚洲之间的海峡变窄,产生了几乎被陆地所包围的北冰洋。
南大西洋继续拓宽,南美和非洲之间留下了1500多英里的海域。非洲向北移动,离开南极洲(仍与澳大利亚相连),特提斯海开始关闭。在早第三纪,南极洲和澳大利亚从南美分离并向东移动。当两个大陆分离时,南极洲向南极运移,而澳大利亚则继续向北东方向运动。
四千万年前,当南极洲从南美和澳大利亚分离并向南极漂移时,极地涡流形成了一股围绕极地的南极洋流(图1-15)。这股环流隔离了冰冻的大陆,使它不再接受从热带向极地流动的温暖海水。由于缺少热量,南极洲变成了冰天雪地。此时,温暖的咸水位于海洋深处,而冷水则位于浅处。



图1-15 南极环流使南极洲成为孤立的海域
由于高蒸发速率和低降雨量,所以在特提斯海的温暖海水顶部咸而且重,沉入海底。同时,古南极洲的气候比现今温暖,产生的冷水充填海洋上层,使得深海从热带向两极循环,刚好与现今的模式相反。大约二千八百年万年前,非洲大陆与欧亚大陆碰撞,阻碍了暖水流向极地,因此,在南极洲形成了巨大的冰盖。流入周围海水的冰使表层海水变冷,沉入深处流向赤道,形成了现今的大洋循环体系。
早第三纪海水流动与深海环流变化一致。聚集在一个地区的大陆影响了洋盆的形状。洋底影响了从热带向两极传输热流的数量。洋流循环的变化造成了欧洲大陆许多海洋生物种属的绝灭,欧洲大陆曾被浅海淹没。
大约五千七百万年前,当格陵兰岛开始从北美和欧亚大陆分离时,北大西洋裂开。格陵兰岛从欧洲大陆的分离把寒冷的北极海水排入了北大西洋,大大降低了其温度,气候变得更加寒冷,随着海水下降了大约1000英尺,达到了最近数百万年海平面的最低点,海水从大陆上撤退,在后来的五百万年中,海平面继续下降。海平面的下降也与南极洲上大量的冰盖聚集有关。
大约四百万年前,格陵兰岛主要被冰雪覆盖,当时冰盖的厚度达2英里。阿拉斯加与西伯利亚相连,切断了在热带产生的暖水流流向北极盆地,造成了北冰洋浮冰的形成。
大约三百万年前,随着大洋板块的碰撞,分离北美和南美大陆的巴拿马地峡被抬升。由陆桥造成的障壁分隔了大西洋和太平洋的生物,使曾经丰富的大西洋西部的动物群灭绝。新地形阻止了冷水流从大西洋流向太平洋,这些事件以及北冰洋从太平洋暖流中关闭开始了更新世冰期,当时大量的冰川横扫极地并掩埋了北部陆地。

2 海洋勘探

早期的地质学家认为海底是由厚层泥质沉积物覆盖的贫瘠、荒芜之地,这些泥质沉积物是由陆地冲刷而来和从海底之上死亡的海洋生物碎屑下沉所形成的。经过数十亿年,这些沉积物聚集了数英里厚,大洋深处成为一巨大的宽广平原,这些平原没有被洋脊或裂谷分开,而是散布了许多火山岛屿。
随着技术的进步,对海底的观察越来越精确和综合,揭示了大洋中脊比陆地山脉更重要,海沟比陆地的山谷更深。具有强烈火山活动的大洋中脊产生了新洋壳。具有频繁地震活动的深海沟在深海底发现,此处过去认为没有生物存在。确实,海底比过去我们想象的要更加复杂。
2.1 海底勘探
在十九世纪中叶,采用海底回声测深仪铺设了第一条连接美国与欧洲大陆的电报电缆。深海记录表明在海底存在海山、海底峡谷和中大西洋海隆(命名为电报高原),过去曾经认为这些地方的海水是最深的。有时,部分电报电缆被海底滑坡掩埋,必须弄到海面才能修理。
1874年,在北大西洋的英国铺缆船HMS法拉第号企图维修一截断了的电报电缆,该电缆位于海底2.5英里深处,经过一个巨大的海隆。在抓电缆时,抓钩钩住了一块岩石,它是一大块黑色的玄武岩,这是一种常见的岩浆岩。这次惊奇的发现是在大西洋海底竟然存在岩浆岩。
1872年,英国最先全面装备的海洋调查船HMS挑战者号被命令勘探全球海洋。该船装备有回声测深仪、取水器和温度计,并要求挖掘海底沉积物以获得海底深处存在生物的证据。“挑战者”号用网捕捞了大量的深海底栖动物,这些动物包括科学家从未发现的最陌生的生物。对科学来说,许多生物种属是未知的,一些种属被认为很久以前已灭绝。
在近四年的勘探中,挑战者号对140平方英里的海底进行了绘图,并且对除北极以外的所有海洋进行了测深,最深处位于西太平洋的马里亚纳岛周围。在马里亚纳海沟深水处回收样品时,调查船遇到了一条深谷,称为马里亚纳海沟。这条海沟形成了从关岛向北延伸的一个长条形地槽,它是地球上的最低点,深度在海平面之下约7英里。
在太平洋深海底取样时,挑战者号获得了类似致密煤块一样的岩石。由于地质学家的好奇,该岩石被误认为是化石或陨石,被陈列在大英博物馆中。约一个世纪后,进一步的分析揭示了这块黑色、土豆大小岩石的真正价值,该结核含有大量有价值的金属,包括锰、铜、镍、钴和锌。科学家认识到世界上锰结核的最大储量位于北太平洋海底,大约在水面之下16000英尺,估计数千英里长的矿藏含有100亿吨结核。
在深海底还发现了其它有价值的矿物。1978年,法国潜水调查船Cyana号在东太平洋海底发现了异常熔岩层和矿物沉积,深度超过了1.5英里,在孔隙性、灰棕色的物质组成的3 0英尺高的小山中,这些沉积物是硫化物矿石。大块的硫化物沉积含有丰富的铁、铜和锌。法国的另一艘调查船桑尼号在东太平洋海底发现了另外一处硫化物矿床,长度近2000英里,沉积物含有多达40%的锌以及其它金属,一些金属的含量比陆地的含量高。
在苏丹和沙特阿拉伯之间的红海海底,调查船发现存在7000英尺厚的有价值沉积物。最大的沉积3.5英里宽,称为阿特兰岛Ⅱ,该岛是由于调查船的发现而取名的。据估计,丰富海底的渗出物含有大约二百万吨的锌、四十万吨的铜、九千吨银和八十吨金。毫无疑问,海洋提供了丰富的矿产资源。
在二十世纪七十年代初期,有关海底知识和勘探能力并未得到发展,用于绘制大洋中脊崎岖地形的船载声纳缺乏。当声纳设备装载在船上并施放到船下相当深度时,图像技术得到了充分改善,一种称为海波束的系统绘制了大洋中脊高精度的声纳图像,其声纳覆盖了宽阔的海底,让一艘船通过来回追踪一条条完整的射线来绘制整个海区图。
照相机也被安装在架子上(图2-1),在黑暗的深海拖放并对目标进行照相,但是,仪器十分危险,很容易丢失。一个叫爱神的巨大照相机重达1.5吨,为了在航行中更好地控制它,把它几乎直接拖在船下。使用时间最长的仪器称为深拖,载有声纳、电视照相机和测量温度、压力以及导电性的传感器。在远离厄瓜多尔海岸的东太平洋中脊上作业时,照相机掉入了热柱之中,经过进一步的勘探,由爱神号照的像片揭示了一片分布有巨大白蛤的熔岩原野。



图2-1用于海底硫化物矿藏照相的深海相机和彩色录像系统(由Hank Chezar提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
能潜水的阿尔文潜艇深入海底调查这种现象,它发现了一大片热液出口(图2-2a和2-2b)以及位于海平面之下1.5英里深处奇怪的深海动物。在参差不齐的玄武岩崖壁上有流动的熔岩,包括枕状熔岩原野等。称为黑烟囱的奇特烟囱喷涌出含硫化物矿物的黑色热水。其它的称为白烟囱,喷出乳白色的热水。在热液出口处,过去科学家未知的生物种属生活在完全黑暗的深海中。岩浆地貌中矗立着高达10英尺的管状物质,在出口周围长1英尺的巨蛤和簇状蚌形成了巨大的群落。



图2-2a 在麻萨诸塞州伍德海尔港口的深海潜艇“阿尔文”(由R.A.Wahl提供照片,得到了美国海军的许可)



图2-2b 饱含硫化物的热液从出口喷入海底的冷水之中。该照片是由“阿尔文”潜艇拍摄的,它的臂上携带一个温度传感器(由N.P.Edgar提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)。
2.2海底勘探
勘探海底的科学家越多,他们对海底的认识也就越复杂。海洋覆盖了大约70%的地球表面,平均深度超过了2英里。大西洋盆地是最浅的,太平洋盆地是最深的。如果世界上最高的山脉珠穆朗玛峰被放入太平洋最深的位置,其水位仍高于珠峰顶1英里多。与地球总大小相比,海洋仅仅是一薄层水,就像洋葱的表皮一样。
早期的海底采样方法包括在船后拖一艘挖泥船铲起海底沉积物或使用抓斗取样器(图2-3),当仪器触及海底时,抓斗取样器的进口关闭。但是这些技术仅能取到最上层的样品,这些样品不能恢复原始沉积层序。在二十世纪四十年代早期,发明了活塞取样器,它可用于获得海底完整的垂直剖面样品。取样器有一个长筒,它可以借助自身的重量插入海底泥层中,然后,在样品处活塞爆炸把样品带到地表(图2-4)。



图2-3 一个抓斗式采样器,当接触到海底时,抓斗就会闭合(由K.O.Emery提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)



图2-4 在阿拉斯加湾的活塞取样(由P.R.Carlson提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
起初,海底被认为含有从陆地冲刷而来的沉积物,经过数十亿年的堆积形成了数英里厚的沉积物。然而,在几个站位的钻井取芯表明最古老沉积物的年龄也不到2亿年。用一种类似于声波的地震波可以确定海底的沉积构造。
海底地震仪投放到海底(图2-5)用以记录在地球洋壳上的微地震并能自动上浮以便收回。地震仪也可以拖在船后勘探海底深处洋壳的地质构造。这些勘探提供了用直接手段不能获得的海底重要信息,而且揭示了洋壳含有数千英尺厚的沉积物,而不是数英里厚的粉沙和粘土。



图2-5在大洋中脊,海底地震仪可以直接观测地震现象(得到了美国地质勘探局的许可)
在二十世纪五十年代后期冷战高峰期,美国和苏联的海洋勘探船测绘了海底,以便潜航弹道导道能够在深海中航行,而不会被未知的海山阻挡。1983年8月30日,在库页岛上空,苏联飞机打掉了南朝鲜飞机,169名乘客和机组人员全部遇难,当时,使用了美国海军无人驾驶的潜艇Deep Drone(图2-6)寻找坠毁的飞机。



图2-6 无人驾驶的海底潜艇Deep Drone被用于寻找韩国航空公司007号飞机的遇难者,1983年8月30日由苏联飞机在库页岛附近施放(由F. Barbante提供照片,得到了美国海军 的许可)
声纳是另一种探测海底地形的重要工具。SeaMarc,一种旁侧声纳系统拖在船后距海底大约1000英尺,通过海底反射的声波绘制海底声纳图像(图2-7)。当船经过大西洋时,随船携带的声谱仪绘制了海底图像。位于大西洋中部2.5英里深处是一巨大的海底山脉,其规模超过了阿尔卑斯山脉和喜马拉雅山脉。该山脉沿大洋中部在环绕大西洋盆地的两个大陆之间蜿蜒延伸。这个巨大的洋脊是强烈火山活动的位置,它看起来好像地球内部物质正在向外喷发。



图2-7由SeaMarc提供的大西洋海岸大陆斜坡较低处声谱仪测得的图像(由N.P.Edgar提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
过去认为深海底是平坦和贫瘠的地区,最近的勘探发现大洋中脊是一串海山。通过更详细的海底测绘,科学家发现中大西洋中脊是目前发现的最奇特的山脉,大洋中脊高出海底10000英尺,具有一条像地壳巨大裂缝一样的深谷,在某些地方达4英里深,或许是大峡谷深度的4倍,15英里宽,它是地球上最主要的峡谷。
海底勘探表明,被海水淹没的山脉和海底大洋中脊形成了一条连续的山链,长达45000英里,宽数百英里,高10000英尺。虽然大洋中脊体系位于深海,但它是地球表面容易识别的最主要的构造,延伸范围超过了陆地上所有主要山脉组合起来的范围。
先进的仪器设备发明后,海底的观测更加活跃,海底比原先想像的更加活动和年轻。沿着巨大的海底山脉采用其它的方法进行勘探,这些方法包括岩石采样、声纳测深、热流测量、地磁测量和地震勘探等方法。勘探结果表明,洋壳在大洋中脊处向外扩张,从地幔中涌升的岩浆喷出海底,新增的洋壳在大洋中脊处向两边分离。
温度测量显示,在中大西洋的山脉区从地球内部渗出的热流异常,就好像岩浆通过洋壳的裂缝从地幔中流出岩浆。大洋中脊的岩浆活动表明海底不断增加了新物质。在大西洋,火山活动更强烈,形成的大洋中脊比在太平洋或印度洋形成的大洋中脊更加陡峭和参差不齐,此处,大洋中脊的分支被陆壳逆掩推覆。
沿大陆边缘和火山岛弧的深海沟最初认为是由从大陆剥蚀的大量沉积物的巨大重量所造成的,并且被致密的下伏物质带入地幔。沉积物向下的重压作用在海底形成了巨大的隆起,称为地槽。然而,在海沟处所进行的重力勘探表明重力值太小不能说明海底存在坳陷。
海沟位于地球内部深处几乎连续的地震活动带上。位于深层的地震就象识别巨大板块向地幔消减的边界标志一样,异常的海沟活动表明它们是古老洋壳俯冲到地球内部的地方,或许至少这里是驱动围绕地球表面大陆漂移的动力发源地。
2.3地质观测
海底的这些观测以及其它奇特的地质特征产生了海底扩张理论。该理论描述了全球特定地区海底的产生和消亡过程。海底扩张理论解决了许多与海底神秘特征有关的问题,包括大洋中脊、洋壳岩石相对年轻以及岛弧的形成等,而更重要的是最终找到了大陆漂移的机制,大陆没有像冰刀切穿冰冻的海洋一样劈开洋壳,正如前面所述及的那样,而是像船浮在可移动的冰块上一样在地幔之上漂移。
海底勘探提出了形成地球的新观点。为了支持大陆漂移理论,在从洋底收集的地质和地球物理证据后,地质家们最终抛弃了过去的认识。由于在南美和对面的非洲大陆之间存在确凿证据,所以二十世纪六十年代末,在北半球的大多数地质家过去曾长期反对该理论,但是最终加入了南半球组织,承认了大陆漂移的事实。

表2-1 大陆漂移

地质年代

(百万年)

冈瓦那大陆

劳亚大陆

第四纪

3

 

加利福尼亚湾裂开

上新世

11

加拉帕哥斯群岛开始扩张

亚丁湾张开

在东太平洋的扩张改变方向

冰岛形成

中新世

26

红海张裂

 

渐新世

37

印度板块与欧亚板块碰撞

在北冰洋盆地扩张作用开始

始新世

54

 

格陵兰从挪威分离

古新世

65

澳大利亚板块从南极洲板块分离

新西兰从南极洲分离

非洲从马达加斯加群岛和南美分离

拉布拉多海张裂

比斯凯湾张裂

北美与欧洲大陆分离

白垩纪

135

非洲从印度、澳大利亚、新西兰和南极洲分离

北美开始与非洲大陆分离

侏罗纪

180

 

 

三叠纪

250

所有的大陆会聚为超级大陆

 

 

海底许多秘密的发现(包括扩张中脊和深海沟)使地质学家们产生了认识地球的全新理论-板块构造理论(图2-8)。构造地质学(来自于希腊语takton,意思是“建设”)是一种地质过程,它形成了地表的所有构造。该理论把海底扩张理论和大陆漂移结合成了一种综合的理论模式。因此,地球历史和构造的所有领域被活动板块的革命性概念统一,地震带是板块的边界,环绕太平洋的地震分析揭示了大陆运动的方向。


图2-8 板块构造模型。在扩张中脊处产生新洋壳,在俯冲带老洋壳消亡,这种作用使大陆沿地表漂移
大西洋被中大西洋中脊分成两部分,随着围绕大西洋盆地的大陆裂解,产生了新洋壳。大西洋中脊是强烈地震和火山活动中心,也是来自地球内部高热流的集中带,地幔产生的熔融岩浆通过岩石圈上升,喷到海底,在大洋中脊轴两侧增生新洋壳。
随着大西洋盆地的拓宽,周围的大陆以大约每年一英寸的速率分离,与大西洋海底拓宽及环大西洋盆地的大陆分离相对应,太平洋盆地以相同的速率收缩。太平洋被俯冲带所环绕,在深海沟处,俯冲作用使老洋壳消亡(图2-9)。太平洋的扩张中脊比大西洋的扩张中脊更加活动。海底的这些特征与太平洋周围的大多数地质活动有关。



图2-9 洋底的俯冲作用为深海沟边缘的火山作用提供了新的熔融岩浆
2.4大洋钻探
海洋的平均深度超过了2英里,并被厚层的沉积物所覆盖。为了正确地测定这些沉积物的年龄,必须恢复其沉积时的顺序。因而打捞技术就显得无能为力。幸运的是一种被称为海底取芯的技术产生了,使科学家能够精确地进行沉积物取样。一根中间空的管子钻入到沉积物中,一段长圆柱形的样品就会被带到地表。起初,打算在深海取样,然而仅仅钻入海底表层沉积物几英尺。
在二十世纪六十年代中期,美国科学基金赞助了一项深海钻探项目,称为超深钻探计划。由南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇的名字命名的莫霍面是地壳和地幔的分界面。大洋地壳是最薄的,大约只有3~5英里厚。科学家希望莫霍计划能为地球的起源、年龄和内部组成提供新的证据,而陆地钻井不能得到这些资料。不幸的是,在水深2英里或更深的水域钻穿数英里的洋壳不仅昂贵而且需要很长的时间。
1968年,英国调查船“格洛玛•挑战者”号承担了美国海洋局制定的深海钻探计划。该计划的目的是在广阔的海底钻大量的浅井以证明海底扩张理论。一艘称为“格洛玛•太平洋”号的深海钻探船(图2-10a和b)第一次开始在大西洋外陆架和美国大陆坡钻井。这两艘船装有能够钻探140英尺深的钻机,即使在艰苦的海域也能准确地定位钻探。


图2-10a 在大西洋外陆架和美国大陆坡的“格洛玛•太平洋”号钻井船(得到了美国地质勘探局的许可)


图2-10b 深海钻探。钻管悬垂在钻井船之下,靠自身的重量钻入海底沉积物
一串钻管钻入船下4英里深处,钻杆在其自身重量下钻入沉积物,岩芯是一节垂直的圆柱状岩石,它通过抽取式的内桶找回钻杆,使钻头保存在钻孔中。当钻头钝了,钻杆和钻管必须带回船上进行更换,然后把钻杆放回钻孔,一种特殊的漏斗状设备指引钻头回到钻孔中。
国际大洋钻探计划(ODP)和地球深部采样大洋调查联合会(JOIDES)的最初目的是在全世界数百个位置的海底进行旋转岩芯取样。然而,在可能存在油田的位置钻井,由于没有采取特殊的防范措施,所以可能造成井喷,导致危险性溢油。1979年当挑战者号钻入地壳时,加拉帕戈斯岛东部的Gosta Rica Rift南翼的情况正好相反。通常情况下,由于井的巨大吸引力,吸入了大量的海水,然而流出的却是热水。随着海水下降到岩浆房,在热液活动期间获得热能,在洋壳内的吸入作用造成循环水的向下对流。
在靠近加拉帕戈斯岛屿东部的太平洋海底,钻井船“乔迪斯•决心“号钻了最深的探井。其目的是在一个地区从顶到底取一段完整的洋壳岩芯,此处地壳被认为是最薄的。从1979年开始的14年期间,钻探船先后七次到钻井位置加深该井,每次持续2个月。在第六个航次,钻探船必须找到上次丢失在井中的钻杆,这项任务完成后,井深增加到了海底之下6500英尺。1993年1月,“决心”号钻井船又一次返回该地钻深另外370英尺,丢失了钻杆。这次事故使钻探队员放弃了钻井,也许只有数百英尺就可达到目的了。
为了找到一个到达洋壳底部的捷径,大洋钻探计划的科学家们发现了在印度洋沿阿特兰岛II断裂带没有被沉积物覆盖的地方,它是大洋中脊的一部分,形成了非洲和大洋洲板块构造之间的边界,沿中脊向下是扩张中心,周期性地分离,留下了一条充填有熔融岩浆的裂隙。随着岩浆冷凝变硬,岩石形成了新洋壳,把两个板块连在了一起。
扩张中心的构造类似于楼梯的阶梯,呈短垂直状,彼此之间相互平行(图3-2)。断裂带呈峡谷状,它连接了两个台阶之间的垂直部分。当科学家钻穿断裂带的谷底,出现了称为辉长岩的粗粒结晶岩石,它们是已知组成洋壳底部的物质。
在恢复和确定几个大洋中脊岩芯年龄后,挑战者号有了一个重大发现。离钻探船所钻大洋中脊越远,沉积物越厚,年龄越老。更加惊奇的现象是最厚、最老的沉积物并不是预期的数十亿年,事实上,不到2亿年。靠近大陆架,厚层沉积物形成了深海平原,钻井岩芯揭示了薄层的碳酸钙仅位于坚硬的岩浆岩之上,岩浆岩被埋在数千英尺的红色粘土和其它沉积物之下。深海红色粘土的发现为海底扩张提供了另一证据,粘土的颜色指示是陆地成因的。
世界最深的海洋与大陆边缘相邻,大陆边缘是大陆的实际边界,此处的洋壳是最古老的。挑战者号确定的碳酸钙层约4英里深,这远远低于冷水溶解碳酸钙的深度。为了很好地保护上覆沉积物不受海水侵蚀的影响,在靠近大洋中脊浅海区域产生的碳酸钙有些被搬运到了大陆边缘。
在中大西洋中脊,大西洋底把岩石圈(岩石圈是上地幔的刚性岩层)从其产生处向远处输送。在大洋中脊的轴部海底主要由玄武岩组成,连续从轴部向远处漂移的玄武岩被逐渐增加的厚层沉积物所覆盖,这些沉积物主要由从陆地侵蚀的碎屑和被风搬运而来的沙组成。某些横扫撒哈拉沙漠的沙暴把尘埃吹入大气圈,由主要的气流携带尘埃一直飞越大西洋到达南美(图2-11)。


图2-11 1976年夏季,在西非干旱的气候条件下,主要由东风造成了沙尘暴,一个巨大的沙尘云团从撒哈拉沙漠吹越了大西洋(如图虚线的南部所示)( 得到了美国国家海洋和大气局的许可)
靠近大洋中脊轴部,沉积物主要由钙质软泥组成,这些钙质软泥是由分解的生物介壳和微生物骨架沉降而形成的。远离大洋中脊轴部,斜坡降到碳酸钙补偿区以下大约3英里深处。在此深度以下,碳酸钙在海水中的溶解度随压力增加而增大。因此,在远离大洋中脊的深海中应该只有红色粘土存在。从靠近大陆架的深海平原获取的钻井岩芯(此处的洋壳最老、最深)清楚地表明薄层碳酸钙位于厚层红色粘土之下,坚硬的岩浆岩之上。地质家推断红色粘土使碳酸钙不会溶解在深海中,这个发现表明大洋中脊是靠近大陆边缘碳酸钙的发源地,海底已经跨越了大西洋盆地。
2.5 磁法勘探
在寻找海底扩张精确证据的过程中,地质学家们偶然发现海底的磁场反转现象。把一种称为磁力计(灵敏的磁记录仪器)拖在船尾越过大洋中脊(图2-12)显示了保存在海底岩浆岩中的磁场样式,这些样式从北到南交替出现,并且沿大洋中脊轴部两侧的磁场及极性呈相反镜像。保留在岩石中的磁场也显示了过去磁极的位置和极性。


图2-12 一个船员在USNS Hayes号海洋调查船船尾施放磁力仪(得到了美国海军的许可)
每百万年地磁场转换极性(北极和南极相互转换)2次或3次。在过去的四百万年里,磁场转换了11次。随着大洋中脊富铁的玄武岩冷凝,玄武岩中铁分子的磁场与当时沉积时地磁场的方向一致。随着海底向大洋中脊两边扩张,玄武岩凝固,在每个反转处形成了地磁场记录。这个过程在大洋中脊两侧产生了呈镜像的、宽度和强度变化的、磁性岩石的平行条带(图2-13)。最终为海底扩张学说提供了可靠的证据:按这种方式形成磁条带顺序,海底被拉开了。



图2-13随着大洋中脊岩浆岩的冷凝,它被按地磁场的方向磁化,在海底出现了一系列磁条带
因为磁场反转随机产生,而且在地质历史中每一排列方式是唯一的,所以,磁条带也提供了整个海底的测年方法。通过对从大洋中脊钻取的岩芯进行测年确定磁条带的年龄,以及测量距离大洋中脊的距离可以计算海底扩张的速率。在过去的1亿年中,海底扩张速率几乎没什么变化。随着岩浆活动的增加,扩张速率增加。在过去的10~20年间,扩张速率加速增加,达到了约2百万年前的最大值。
东太平洋中脊的扩张速率每年高达6英寸,在海底形成了较小的地貌。快速扩张中脊的构造活动带通常十分狭窄,一般不到4英里宽。在大西洋,扩张速率是十分缓慢的,每年仅约1英寸,形成了较高的大洋中脊。根据海底扩张速率,大西洋大约1.7亿年前开始张裂,该时间范围明显与估计的大陆裂解时间一致。

图2-2磁反转与其它现象的对比(时间刻度为百万年)

磁反转

异常寒冷

陨石活动

海平面下降

生物大量绝灭

0.7

0.7

 0.7

 

 

1.9

1.9

 1.9

 

 

2.0

2.0

 

 

 

10

 

 

 

11

40

 

 

37-20

37

70

 

 

70-60

65

130

 

 

132-125

137

160

 

 

165-140

173

2.6 卫星遥感绘图
1978年,海洋资源卫星(图2-14)精确地测量了全球大部分地区到海面的距离。其中惊人的发现是:由于重力的变化,海底大洋中脊和海沟在其海面上产生相对应的波峰和波谷,大洋表面地形显示出具有数百英尺高的波峰和波谷。但是,由于这些海面变化范围面积宽广,所以在开阔大洋中无法识别这些现象。



图2-14在全球大部分地区海洋资源卫星卫星雷达测绘了海洋表面
海底山脉、大洋中脊、海沟和分布于海底质量变化的其它构造产生的重力控制了表层海水的形状。海底山脉产生了巨大的重力,这种现象造成海水围绕其周围堆积,在海面上产生了涌浪;相反,以较小质量吸引海水的海沟在海面形成低谷。例如,1英里深的海沟能造成海面下凹12英尺。
利用海洋资源卫星遥感数据编制了一张全球海水表面图(图2-15)。大洋中脊山脉和深海沟被描绘得很清楚,这比任何其它方法获得的海底图像更加详细。海底图也揭示了许多新特征(例如裂谷、大洋中脊、海山和断裂带),并且较好地说明了一些已知的特征。这些图件为板块构造理论提供了新的支持,认为地壳裂解为几个板块,这些板块的不断漂移造成了地表的地质活动,包括山脉的生长和洋盆的拓宽。



图2-15 来自地球动力学实验海洋卫星(GEOS-3)的遥感图像,海洋资源卫星被用于测绘这张海底图。(1)中大西洋中脊,(2)Mendocino 断裂带,(3)夏威夷岛弧链,(4)汤加海沟,(5)皇帝海山,(6)阿留申海沟,(7)马里亚那海沟,(8)九十度东大洋中脊(得到了美国国家航空和宇宙航行局的许可)。
卫星图像也揭示了由常规海底测绘技术没有发现的长期埋藏的断裂带,像一把梳子一样穿过太平洋中央海底的虚线受洋壳之下30~90英里深处地幔物质对流的影响。每个循环包括了热物质的上升和冷凝物质的下沉,把海底拖回地幔深处。
即使埋藏的构造也是第一次完全展现在世人面前。例如,大约1.25亿年前,当南美、非洲和大洋洲开始分离时形成了古大洋中脊。海底扩张中心被深埋在厚层沉积物之下,板块之间的边界向西移动,留在开始下沉的古大洋中脊之后。该大洋中脊的发现帮助地质家追踪过去近2亿年来海陆变迁历史。卫星的发现进一步证明了深海底仍存在大部分未知区域,海底勘探与外层空间勘探同样重要。

3 活动的海底

洋壳处于不断变化之中,它的年龄相当年轻,不到地球年龄的5%。年龄的差别是由于洋壳不断循环进入地幔造成的,在过去的1.7亿年中,几乎所有的海底都消失而进入地球内部。在大洋中脊处,玄武岩通过地壳中的裂谷从地幔中流出,不断产生洋壳;在深海沟,岩石圈潜入地幔中重新融化,洋壳消亡,形成了一个连续周期。
在扩张中脊,岩石圈板块裂解产生了新的洋壳,而在削减带的会聚作用使老洋壳消亡。当两个板块碰撞时,浮力较小的洋壳俯冲在陆壳之下。岩石圈及上覆的洋壳通过地幔的重新循环产生新的地壳。岩石圈板块就像漂浮在熔融岩石海洋之上的救生筏一样,携带着大陆围绕地球表层缓慢地漂移。
3.1岩石圈板块
地球的外壳像一个打碎的鸡蛋一样裂解为几大板块(图3-1)。移动的岩石圈板块大小从数百~数百万平方英里。地壳和上地幔上部组成了岩石圈。岩石圈包括位于大陆壳和大洋壳之下的刚性的地幔外层。大陆岩石圈的厚度大约是60英里,而海底岩石圈的平均厚度为25英里。



图3-1主要的岩石圈板块
岩石圈板块位于软流圈之上,软流圈是指炽热的、易弯曲的层状上地幔,就像硬蜡位于熔融的软蜡之上一样。软流圈携带着像漂移岩石板块一样的地壳。在大洋扩张中脊处板块发生裂解,在俯冲带会聚,俯冲带位于岩石圈板块的边缘。岩石圈板块俯冲进入地幔使地壳熔融形成一个连续循环,它们之间的相互作用形成了地球表面。上地幔的结构对板块构造运动是非常重要的,板块构造产生了地球上所有的地质活动。
板块边界是活动的变形带,该带吸收了刚性岩石圈板块之间几乎所有的撞击力。这些边界区从在转换断层处板块互相错开数百英尺到在大洋中脊和俯冲带错开数十英里之间变化。离散的板块边缘是大洋扩张中脊,此处,玄武岩从上地幔中涌出形成新的洋壳,成为海底扩张过程的一部分(图3-2)。



图3-2在扩张中脊处洋壳的产生。
洋壳并不是单一的均质体,而是呈狭长的带状,由断裂带分隔。大洋中脊体系并不总是位于大洋的中部,它在全球延伸了45000英里,是地球上最长的构造。板块的侧边界是转换断层,此处板块相互错开,很少或没有岩浆上升和地震等构造活动。
会聚板块边缘是俯冲带,其标志为深海沟,此处,老洋壳潜入地幔中为海沟边上的火山活动提供岩浆。如果首尾联接起来的话,那么俯冲带将沿全球延伸。板块之间的会聚速率从每年1英寸到每年5英寸,板块的离散速率与之相对应。然而,在板块边缘的俯冲带及有关的扩张中脊没有以同样的速率活动,这些差别使得板块沿地球表面运动。如果会聚作用大于海底扩张作用,那么岩石圈板块就会收缩并最终一起消失。
3.2洋壳
洋壳的显著特点是具有恒定的厚度和温度,平均厚度约4英里,在全世界大多数地方,温度变化不会超过20ºC。相比较而言,大陆地壳的平均厚度为25~30英里,在山区,其厚度达45英里,而且大陆具有厚厚的山根,相对冷的地幔物质向下延伸了约250英里。陆壳的平均密度是水的密度的2.7倍,而洋壳的密度则是水的密度的3.0倍,地幔的密度是水的密度的3.4倍。密度的差异使洋壳和陆壳漂浮在地幔物质之上。
洋壳象一块具有三层明显不同物质的蛋糕。上层为枕状玄武岩,它是岩浆从很深的位置喷出形成的;中间层为席状岩浆复合体;最下层为辉长岩,它是深处岩浆房中高压状态下缓慢结晶的粗粒岩石,在大陆上发现了同样的岩层。这种相似性使地质学家推测这些岩层是古洋壳的碎片,称为蛇绿岩(图3-3)。



图3-3 全世界蛇绿岩的分布范围,它是由板块构造作用造成洋壳岩片挤入大陆形成的
大多数洋壳的年龄不到1.7亿年,平均年龄为1亿年,而大陆地壳的年龄大约为40亿年。年龄上的差别是由于洋壳循环到地幔之中所造成的,正象前面所描述的那样。几乎所有的洋底都曾消失进入地球内部为大陆的继续生长提供原料。
如前所述,玄武岩通过洋底的裂谷从地幔渗出,新洋壳在大洋中脊形成。在大洋中脊处熔融的岩浆沿垂直通道喷出地表,在大洋中脊下部的液态熔岩流凝固形成席状或圆形枕状熔岩,这取决于岩浆喷发速率和大洋中脊的坡度。巨大的岩浆喷发使熔岩周期性地溢流出海底,每年增加了数平方英里的新洋壳。随着洋壳的冷凝和固结,进而收缩形成裂隙,水通过裂隙进行循环。
并不是所有的岩浆都喷出海底,大多数岩浆冷凝分布在离散板块边缘。在岩浆房上部的岩浆通道中,许多岩浆固结,形成大规模的垂直岩墙,类似于一块板子立在底部。每个岩墙厚约10英尺,高1英里,长3英里。
随着年龄的增长,大洋板块逐渐变厚,从大洋扩张中脊刚形成时数英里厚的洋壳到邻近大陆最古老的洋盆其厚度超过50英里。随着大洋板块远离大洋中脊,在大洋板块俯冲处的厚度变化与其年龄的平方根成比例。例如,年龄200万年的板块位于大约2英里深处,年龄2000万年的板块则位于大约2.5英里深处,年龄5000万年的板块位于大约3英里深处。

表3-1 地壳的分类

环境

地壳类型

构造特征

厚度(英里)

地质特征

大陆地壳之下为稳定的地幔

地盾

非常稳定

22

很少或没有沉积物,暴露前寒武系岩石

大陆中部

稳定

24

 

盆地和山脉

非常不稳定

20

最近的正断层作用、岩浆作用和侵入作用;平均海拔高

大陆地壳之下为不稳定的地幔

阿尔卑斯山脉

非常不稳定

34

最近迅速抬升,地壳相对最新侵入,平均海拔高

岛弧

非常不稳定

20

强烈的火山作用,频繁的褶皱作用和断裂作用

洋壳之下为稳定的地幔

大洋盆地

非常稳定

7

在玄武岩层之上有非常薄的沉积岩,没有厚层的古生代沉积物

洋壳之下为不稳定的地幔

大洋中脊

不稳定

6

活动的玄武岩岩浆作用,很少或没有沉积物。

典型的大洋板块开始时很薄,由于上地幔新岩石圈的板下作用及上覆沉积层的堆积作用而逐渐变厚。在大洋中脊顶部的洋底几乎全部由坚硬的玄武岩组成,离大洋中脊轴越远,沉积物越厚。当大洋板块拓展得像大西洋一样宽时,在靠近大陆边缘的地方海水最深,大约有60英里。最终,大洋板块变厚、变重,不再保留在地表,然后,向下弯曲,俯冲到大陆之下进入地球内部(图3-4)。



图3-4由大陆花岗岩和大洋盆地玄武岩组成的地壳。
随着大洋板块潜入俯冲带,它重新溶化并从地幔中获得新的矿物,为新洋壳提供原料-熔融的岩浆,沿大洋中脊在岩浆扩张中心再度出现。在洋底的沉积物,圈闭在沉积物颗粒之间的水也被捕获在俯冲带中。然而,这些低熔点、低密度熔融的沉积物使它们上升到地表为其附近的火山作用提供岩浆和再循环的海水。
上地幔的流动部分称为软流圈,此处的岩石呈半熔融或塑性状态,可以缓慢流动。数百万年之后,熔融的岩石到达地幔或岩石圈的顶层。随着地球内部压力的减少,熔融的岩石通过岩石圈中的裂缝上升。熔融的岩浆通过岩石圈到达洋壳的底部形成岩浆房,进一步上拱地壳,使裂缝加宽。熔融的熔岩从裂谷喷出在两边形成脊顶,向扩张中脊体系增加新物质(图3-5)。



图3-5 扩张中脊构造,来自软流圈的物质在此处形成新的岩石圈
位于形成新洋壳的扩张中脊之下的地幔物质几乎都是橄榄岩,橄榄岩是一种坚硬的、致密的岩石,主要由铁镁硅酸盐矿物组成。它在向洋壳底部运移途中熔融,一部分变为高流动性的玄武岩喷出地表,玄武岩是喷到地表最常见的岩浆岩,每年大约5立方英里的玄武质岩浆从地幔喷到地壳中。大多数岩浆作用在洋壳分离的海底扩张中心产生。含有大量氧化硅的辉长岩从玄武质岩浆中凝固并聚集在洋壳的低部位。
洋壳是由扩张中脊产生的玄武岩和从大陆及岛弧冲刷而来的沉积物组成的,其密度逐渐增加,最终向地幔俯冲。在洋壳向地球内部俯冲过程中,岩石圈及上覆的沉积物熔融。熔融的岩浆呈巨大的气泡侵入地表形成底辟构造,该词来自于希腊语,意思是刺穿。当岩浆到达地壳的底部时,它为火山和花岗岩体之下的岩浆房提供了新的熔融岩石,花岗岩体称为深成岩侵入体,常形成山脉。按这种方式,板块构造不断改变地表并使地表重新进行分布。
3.3岩石循环
每一千万年,全球的海水通过扩张中脊的地壳循环更新一遍,其体积大约相当于世界最大的河流亚马逊河每年的流量。这种作用既说明了海水独特的化学成分,也说明了地壳与海洋之间的有效热流及化学交换。化学交换的数量取决于全世界河流向海洋输送元素的数量,这些河流携带了大陆上风化剥蚀的产物。这些化学元素中最重要的是碳,它控制了地球上的许多生命过程。
当海底向地球内部俯冲时,极热的地幔热流从含碳沉积物中分解出二氧化碳,熔融的岩石及分解出来的二氧化碳通过地幔沿其通道向上运移充填在位于火山和扩张中脊之下的岩浆房中。连续的岩浆喷发和扩张中脊的熔岩流重新为大气圈和海洋提供了新的二氧化碳,使地球成为一个巨大的二氧化碳循环厂(图3-6)。



图3-6 地球化学碳循环。呈重碳酸盐形式的二氧化碳从陆地上冲入海洋,在海洋中生物把它转化为碳酸钙沉积物,这些沉积物俯冲进入地幔变为岩浆的一部分,然后通过火山作用进入大气圈

表3-2 碳的相对数量

物源

相对数量

沉积岩中的碳酸钙

60000

沉积岩中的碳酸钙镁

45000

生物中残留的沉积有机质

25000

溶解在海水中的重碳酸钙和碳酸钙

75

煤和石油

7

土壤中的腐殖质

5

大气圈中的二氧化碳

1.5

所有的植物和动物

1

地球化学碳循环(地球内部碳的迁移)涉及地壳、海洋、大气圈和生物圈之间的相互作用。生物碳循环只是该循环中的一小部分。通过光合作用,碳从大气圈迁移到植物中,当植物呼吸或腐烂时碳又返回大气圈。大量的碳没有储存在有机质中,而是储存在海底和大陆的沉积岩中。
通过调节大气圈中二氧化碳的含量,海洋在碳循环中起了重要的作用。在海洋的上部,二氧化碳气体的含量与大气圈保持平衡,在海洋上部300英尺的海水混合层中(图3-7)含有与整个大气圈同样多的二氧化碳。二氧化碳气体主要通过表层波浪的搅拌作用溶解在海水中。如果没有海洋生物体的光合作用吸收溶解的二氧化碳,大部分二氧化碳气体就会逃逸到大气圈中,其含量比目前大气圈中二氧化碳含量的三倍还多,最终会产生温室效应。



图3-7在海洋上部的涡流使气体与海水混合
大气中的二氧化碳与雨水结合形成碳酸,碳酸与地表岩石反应生成溶解钙和重碳酸,这些物质被河流搬运到海洋。海洋生物利用这些物质建造碳酸钙骨骼及其它支撑格架。当生物死亡后,其骨骼沉入海底,在海底生物的骨骼溶解在深水中。由于其规模巨大,深海溶解有最大量的二氧化碳。
在浅海,碳酸钙骨骼形成石灰岩沉积(图3-8),把二氧化碳埋在由沉积岩组成的地质剖面中。碳酸钙的埋藏造成了大约80%的碳沉积在海底。其余的碳酸钙则由从大陆冲刷而来的死亡有机质形成,一半的碳酸钙又转换成了二氧化碳,如果二氧化碳循环停止,那么所有的生物就会死亡。



图3-8 海洋生物壳体和骨骼埋藏在海底形成碳酸钙沉积。
深海(占海洋体积的90%)循环非常缓慢,其周期大约是1000年。只有在极地,它直接与大气接触。因此,深海对二氧化碳的吸收是有限的。深海接受了大多数碳,其形式呈沉降在海底的死亡生物壳体和粪便。在热带,二氧化碳通过上升流返回大气圈,这就是靠近赤道区二氧化碳含量大于别处的原因。
海底和陆上的火山活动在恢复大气二氧化碳含量中起了非常重要的作用,二氧化碳从在地壳内部熔融的碳质沉积物中逸出提供给新岩浆,熔融的岩浆及挥发性物质(包括水和二氧化碳)上升到地表,为大洋中脊和火山之下的岩浆房提供岩浆。当岩浆喷出后,二氧化碳从岩浆中释放返回到大气中,完成整个循环。
3.4大洋盆地
大洋盆地是地球上最大的沉积拗陷。海底位于海平面之下非常深的地方,其深度超过了大陆隆升的高度。如果海水被完全抽干,地球看起来非常象金星的表面崎岖不平,金星很久以前就没有海水了。海洋中最深处位于大陆边缘周围数英里之下。海底一般被最长的山脉环绕,在某些地区存在最深的海沟。巨大的盆地分隔了大陆,大陆像几块厚板状岩石一样放在那里。
环绕大陆的大多数海水位于南半球的巨大海盆中,其面积占海洋的十分之九,它向北延伸到北半球的大西洋、太平洋和印度洋盆地,在北半球有许多大陆板块。北冰洋几乎被陆地所包围,仅通过狭窄的海峡与大西洋和太平洋相联。白令海(图3-9)分隔了阿拉斯加和亚洲,它们之间最狭窄的地方只有56英里。约二千万年前,靠近冰岛的大洋中脊下沉,使冷海水从新形成的北冰洋流入大西洋,产生了现今的海洋循环系统。



图3-9 在白令海劳伦斯岛的Kookooligit山脉的北西端可见到火山锥(由H.B.Allen提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)

表3-3大洋中深海环流的历史

年龄(百万年以前)

事件

3

北半球处于冰期阶段

3-5

北冰洋冰川作用开始

15

德雷克通道完全打开,形成环南极海流。环绕南极形成主要的海冰,使它成为现代冰期最主要的冰川作用。南极底水形成,雪线上升。

25

位于南美和南极洲之间的德雷克水道开始张开。

25-35

在南极洲周围具有部分稳定环流的情况存在。在地中海和远东之间,赤道环流被打断。

35—40

赤道的海上航道开始关闭。在南部深水和表层水突然变冷。在海洋中,南极冰河携带冰川碎屑进入海洋。澳大利亚和南极洲之间的河道开启。较冷的底水向北流入海洋,雪线急剧下降。

>50

在赤道的海水沿全球自由流动,即使在极地附近,也存在相似的气候和温暖的海洋,过去深海比现在深海的水温温度高。南极洲只有高山冰川而没有冰席。

海洋占据了地表大约70%的面积,约一亿四千万平方英里,海水体积超过了3亿立方英里。约60%的地表被不到1英里深的海水覆盖,海水的平均深度约2.3英里。大洋中脊的平均深度约1.5英里,其两侧的海底向大约3.5英里深处倾斜。在太平洋盆地,海水的深度达到了7英里,它是地球上的最低点。
只有海洋原生沉积物而没有底流搅动的海底,均匀的层状物质才沉积在原始的火山海底。然而,全球的河流携带了大量的沉积物沉积在深海底。北美和南美最大的河流流入大西洋,大西洋比太平洋接收了更多的河流沉积物。有机质的埋藏也非常有助于深海石油的生成。
因为大西洋比太平洋小而且浅,所以其沉积物埋藏得更快,更可能被保存下来。大西洋海底的堆积速度大约为每2500年1英寸,太平洋周围的深海沟沉积了到达其西端的许多物质并俯冲进入地幔。
在大西洋,接近海底的强烈水流比在太平洋的近海底水流以更大规模重新分配沉积物。偶而,具强水流的深海风暴卷起海底的沉积物,使其在别的地方呈碎屑沉积。在太平洋、大西洋和印度洋盆地的西边,周期性的海底风暴围绕大陆隆的根部搬运了大量的沉积物,极大地改变了海底。海底的冲刷作用和海底厚层的细粒沉积物造成了比仅从上面由恒定沉积物降落形成了更加复杂的海洋地质学。
3.5 海底峡谷
海底呈现了与地球上其它地方不相匹配的崎岖地形。最大的大陆峡谷插入海底很深的位置。在最后的冰期,当海平面大幅度下降时,河流侵蚀暴露的海底并把沉积物搬运到海洋。
在上次冰期的高度,约一千万立方英里的地表海水呈大陆冰川形式存在,冰川覆盖了大约三分之一的陆地表面,当时冰川体积是目前冰川体积的3倍。冰川作用使海平面下降了约400英尺,造成了海岸线向海洋方向前进了数百英里。美国沿海东部海岸线扩展到大陆架边缘的一半位置,向东延伸了600多英里。海平面下降使陆桥暴露并与大陆相连。
许多峡谷切穿了位于阿拉斯加和西伯利亚之间白令海之下的大陆架。约七千五百万年前,大陆运动产生了广阔的白令海大陆架,使之高出海底8500英尺。在冰期,当海平面下降数百英尺,大陆河谷深切大陆架时,大陆架曾多次暴露为陆地。在最后一次冰期末,当海水重新淹没大陆架时,大量崩塌的泥石流沿大陆架边缘陡坡向下滑动,冲走了1400立方英里的沉积物和岩石。
离开美国东部在大陆架上的陡峭海蚀崖延伸了约200英里。它代表了前冰期的海岸线,目前,它被完全淹没在海水中。广布在北半球大部分地区的大规模大陆冰川使海平面降低了数百英尺。当冰川融化后,海平面上升到现在的位置。在海平面之下深切海底岩石200英尺的海底峡谷可追溯到陆地上的河流。
沿北美东部几个海底峡谷切穿了大陆边缘和海底(图3-10)。在大陆架和大陆坡上的海底峡谷具有许多与陆地河谷相同的特征,甚至一些峡谷可以与陆地上最大的河谷相比。海底峡谷以两壁高、陡和底部具不规则向外海倾斜为特征。峡谷长约30英里,平均深约3000英尺。大巴哈马峡谷是世界上最大的海底峡谷之一,深约14000英尺,超过大峡谷深度的两倍。



图3-10 在纽芬兰盆地中大洋峡谷的地震剖面(由R. M. Pratt提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
当海平面下降到比目前海平面还要低时,流经暴露在陆地的河流在海底切割出几个海底峡谷。许多海底峡谷发源于大河口附近,一些海底峡谷的深度超过了2英里,与陆上河流相比深多了。海底滑坡切割海底形成了海底峡谷。
六百万年前地中海看起来几乎完全干涸了,其海底成为沙漠盆地,比周围的大陆高原低1英里多。河流流入干旱的盆地切割出深峡谷。一条沉积物充填的深峡谷沿着法国南部罗纳河流域延伸了100英里,深3000英尺,在此处河流流入地中海。尼罗河三角洲之下的沉积物埋藏了一英里深的峡谷,该峡谷向南可延伸到750英里远处的埃及阿斯万南部,其规模可与大峡谷相比。
海底滑坡沿陡峭的大陆坡快速向下滑动侵蚀海底形成了深深的海底峡谷。大陆坡的表面主要被海底滑坡侵蚀的大陆架细粒沉积物所覆盖。海底滑坡由含水沉积物组成,其密度大于周围的海水。浑浊的海水沿海底快速流动,侵蚀海底松软的物质,使这些泥水成为浊流,沿陡峭的大陆坡向下运移,搬运了大量的深海沙(图3-11)。



图3-11 Nantucket南部大陆坡的声纳剖面,可以看到从5000-7500英尺高处搬运的碎屑(由R. M. Pratt提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
3.6 微板块和地体构造
在侏罗纪早期泛大陆裂解时期,世界上最大的太平洋板块没有目前的美国大陆大。约1.9亿年以前,太平洋板块开始作为一微板块,有时位于两个或三个主要板块结合处的一小块洋壳,其余洋底由其它一些从前未知的板块组成,它们随着太平洋板块的生长,不久就消失了。这就是洋壳的年龄不超过侏罗纪的原因。
与俄亥俄洲大小相当的微板块位于太平洋、纳兹卡和南极洲板块之间的结合处,南极洲板块在南美西部约2000英里的南太平洋。沿两个板块之间边界区的海底扩张在其边缘增加了新的洋壳,使板块产生离散运动。海底扩张速率的不同在扩张中脊的中心位置产生了微板块,这个过程就象自行车车轮的辐条一样散开,在最近的400万年顺时针方向旋转了四分之一圈。在过去的三百到四百万年间,同样一块靠近Easter岛屿的微板块向北旋转了90º,表明大多数微板块是以这种方式运动的。
围绕太平洋的三个岩石圈板块(包括纳兹卡、南极洲和南美板块)在一个不寻常的三结点处汇聚在一起。最初的两个板块沿位于南美西海岸的智利中脊的边界分离,类似于美洲沿中大西洋中脊从欧亚和非洲大陆分离一样。智利中脊远离智利大陆架,深度超过10000英尺。沿其轴部,岩浆从地球深处上涌堆积成海底火山。
向北东方向运动的纳兹卡板块在秘鲁-智利海沟处俯冲在向西运动的南美板块之下。纳兹卡板块的东缘以大约每百万年50英里的速率俯冲,该速率比其西缘生长的速率快。事实上,智利海沟正在吞食智利中脊,最终它们一起消失。在过去的1.7亿年里,其它板块及其有关的扩张中心曾多次消失在太平洋盆地周围的大陆之下,这种活动对海岸地质有巨大的影响。
事实上,太平洋盆地周边的强烈地质作用形成了太平洋周围的所有山脉及其周边的岛弧。随着北美板块向西运动,由岛弧和其它地壳碎块组成的北美西部大多数地区远离太平洋板块。加里福尼亚北部是由一亿年前地壳碎片的混杂堆积组成的,旧金山的岩层是从2500英里远处的太平洋漂移而来的。
一条位于怀俄明洲中部几乎完整的洋壳剖面,其类型是漂移板块推挤大陆。整个阿拉斯加洲是在过去1.6亿年期间由漂移的板块和大陆板块碰撞形成的,大约由50块地体组成(图3-12)。同样,安第斯山脉是沿南美大陆边缘洋壳增生作用产生向上逆冲作用所形成的。



图3-12 在阿拉斯加山脉南边的Maclaren 冰河(得到了美国国家航空及太空总署的许可)
地体是由从很远的地方挤入大陆的洋壳碎片拼合而成的地质体。它们与周围的地质环境不同,通常以断层为界。虽然一些地体是由碰撞地壳碎片之间洋盆中堆积的鹅卵石、砂和粉沙混杂堆积而成,但地体一般是由大洋岛屿或高原组成的。
当地体与大陆碰撞时,在大洋板块上产生的大多数地体呈变形的拉长形,这主要是由于地壳运动改变了其形态。地体以各种形状和大小存在,从小长条形到诸如印度这样的次大陆。在中国的地体组合呈东西走向的拉长形,这是由于亚洲南部的印度板块挤压作用造成喜马拉雅山脉的上升(图3-13)。喜马拉雅山脉北部存在一条蛇绿岩带,它是大陆缝合的界限。蛇绿岩(来源于希腊单词 ophis,意思是大毒蛇)是由板块漂移造成洋壳挤压大陆形成的,其年龄约36亿年。



图3-13 从空中拍摄的印度和中国的边界,显示了雄伟的喜马拉雅山脉(得到了美国国家航空及太空总署的许可)
可疑的地体是以断层为界的断块,其地质历史不同于相邻的地体和大陆,其年龄从不到2亿年至10亿年以上。不同种属的放射虫化石(一种具有硅壳的海洋原生动物,它在距今5亿年到6亿年前十分繁盛)可以用来确定地体的年龄,同时也可以确定地体产生的特定海洋环境。
由北美西部组成的许多地体顺时针方向旋转达70多度,最老的地体旋转的角度也最大。地体的边界称为缝合带,一般以蛇绿岩带为界,由海洋沉积岩、枕状玄武岩、席状岩墙复合体、辉长岩和橄榄岩组成。在最终停在大陆边缘之前,可疑的地体被搬运了很长的距离,北美某些可疑的地体在西太平洋产生,向东搬运了数千英里。地体以不寻常的速率运动,在仅仅5亿年的时间内,就可以完成环球旅行。

4大洋中脊和海沟

巨大的海底山脉远比大陆上的山脉延伸的范围要更加广阔,它呈“十字状”在海底延伸。连续的大洋中脊体系围绕地球呈环状,是迄今为止最长的地质构造。虽然大洋中脊被深深的海水所淹没,但它是地球上最显著的构造特征,超过了大陆上所有主要山脉组合在一起的面积。
在深海沟处的岩石圈俯冲作用在全球构造中起了重要作用,并且解释了连续形成地球表面形态的强大地质应力。巨大的山脉和许多火山与岩石圈板块的俯冲作用有关,洋壳向地幔的俯冲作用在消减的岩石圈内产生张力,结果造成强烈的地震。
4.1 大洋中脊
在连续的地壳回春过程中,移动的岩石圈板块形成了新洋壳。俯冲的岩石圈通过地幔循环,随着全球12个左右的大洋中脊重新喷出岩浆,产生了一半多的地壳。在海底新玄武岩的增生对位于大陆之下的岩石圈板块生长起了重要作用。
大部分这种作用发生在大西洋中部,熔融的岩石从上地幔上涌产生了新洋壳。大西洋海底像两条输送带一样,传输带辊子在地幔上部对流循环,在大西洋中脊从其产生处携带洋壳向两个相反的方向运动(图4-1)。



图4-1 大西洋中部的扩张中脊体系从老洋壳中分离出新的洋壳
扩张中脊体系从北部的冰岛延伸到南部的博韦岛(距大洋洲约1000英里)。大洋中脊是一串由地幔上升的熔融岩浆所形成的火山。沿中脊轴部中心是像洋壳中巨大裂缝一样的深谷,深4英里,宽15英里,是地球上最深的裂谷。
海水淹没的海山和海底的大洋中脊形成了一条连续的山链,长45000英里(图4-2),山链宽数百英里,高出海底10000英尺。从北冰洋开始,大洋中脊体系向南跨越大西洋盆地,沿非洲、亚洲、澳大利亚和太平洋海底,在北美洲西海岸终止。



图4-2 环绕世界大洋盆地的大洋中脊体系是由独立的岩浆扩张中心组成的
在大洋中脊轴部的海底主要由玄武岩组成,玄武岩是喷发到地表最常见的岩浆岩。每年约5立方英里的新玄武岩增加到地壳上,主要分布在扩张中脊的海底。随着远离轴部,覆盖在裸露的岩浆岩之上的沉积层越厚。当两个新分离的板块从裂谷处分离时,软流圈的物质贴在边缘上形成新岩石圈。离大洋中脊裂谷体系越远,岩石圈板块逐渐变得越厚,从而造成板块向深处下沉进入地幔。这就是环大西洋盆地靠近大陆边缘的海底是大西洋中最深处的原因。
沿大洋中脊强烈的地震和岩浆活动表明大洋中脊是地球内部高热流的出口。来自地幔熔融的岩浆通过岩石圈上升,并把新形成的玄武岩增加到大洋中脊轴部两侧。岩浆流动性越大,海底扩张越快,地形越低。由于太平洋的扩张中脊比大西洋扩张中脊活跃,因此,太平洋的扩张中脊在地貌上显得不高。因为岩浆没有机会堆积成高山,所以快速扩张的大洋中脊没有形成一定高度。缓慢扩张中脊的轴部以裂谷为特征,裂谷深数英里,宽10-20英里。
在太平洋,称为东太平洋隆升的裂谷系从南极圈到加里福尼亚湾延伸了6000英里,它位于太平洋板块的东部边缘,是太平洋板块和可可斯板块的边界,也是中大西洋中脊的对应部分及世界上最大海底山链的一部分。东太平洋隆升是大洋中脊的一部分,大部分水深约1.5英里,每条裂谷都是一条狭窄的裂缝带,此处洋壳板块以每年约5英寸的平均速度进行离散。
一系列紧密排列的断裂带把大西洋近赤道的中大西洋中脊切成碎片。这些构造中最大的是Romanche断裂带,该断裂带偏离近东西向的大洋中脊轴部约600英里(图4-3)。Romanche海沟底部位于海平面之下5英里,海沟两侧中脊最高部分位于海平面之下不到1英里,形成的垂直地貌是大峡谷深度的4倍。



图4-3偏离了中大西洋中脊的Romanche断裂带
大洋中脊最浅部分被珊瑚礁覆盖,表明五百万年前它曾位于海平面之上。许多相似的或相同的挤压断裂带分隔了该区域,由一系列谷地和横向山脊组成,其宽度约数百英里。这种地貌在规模和险峻程度方面与世界其它地方不同。
4.2 热机作用
形成地表的所有地质活动是地球内部巨大热机向外排放的结果。在对流圈中,地壳之下地幔物质的缓慢运动把热从地核带到了地表(图4-4),它是板块构造之下的主要驱动力。当顶部温度与底部温度不同时,就会在流体介质中产生对流运动。地核把热量传到地幔,增加的浮力使地幔岩浆上升到地表。



图4-4 地幔对流使岩石圈板块分离
对流作用和热岩石的地幔柱作用把熔融的岩浆输送到岩石圈下部,产生了洋底和大陆上的大多数岩浆活动。大多数地幔柱是在地幔内部产生的,另一些从地幔底部上升,使地球内部产生了巨大的鼓包。
熔融岩石的形成和岩浆上升到地表造成了在地球内部的热交换。在地幔中流动岩石从地核获得热量,上升过程中把热量带到岩石圈,然后再冷凝下降返回地核,在地核中它们再一次被加热。地幔对流非常缓慢,完成一次对流循环需要数亿年时间。
地球不断地从其内部向岩石圈散热。约70%的热损失是通过海底扩张作用产生的,而剩余的大部分热量是在俯冲带由于岩浆作用而损失的(图4-5)。在扩张中脊产生岩石圈板块,而在俯冲带岩石圈板块消亡,这就是地幔物质对流的最终结果。



图4-5 在扩张中脊和俯冲带的火山活动造成了地球上主要的热损失
大多数地幔热是由地球内部的放射源产生的,其余的热来自地核,它是从大约46亿年前地球最初形成以来保留的原始热量。地幔和地核之间的温差几乎接近1000度。地幔物质与外核流体在界面处混合形成了明显的层,它能阻止热量从地核流向地幔并能影响地幔物质对流。
软流圈是上地幔半熔融的区域,刚性的岩石圈位于其上。软流圈不断地损失物质,这些物质从大洋中脊喷出,软流圈位于岩石圈板块的下边。如果软流圈不能连续地向地幔柱提供新物质,那么板块运动就会突然停止,因为所有的地质活动停止,所以地球就会变为死球。
4.3 海底扩张
在海底扩张中脊处海底扩张作用产生了新的岩石圈,通过对流作用,热的熔岩从地幔深部向上涌升。到达岩石圈下部后,熔岩横向扩展,在地表附近散热,使熔岩冷凝,下降返回地球深处,接收更多的热量,重新进行循环。
对岩石圈底部的连续挤压使板块断裂。沿断裂两侧的对流携带着岩石圈的分离部分,使板块之间的裂口加宽。裂谷作用降低了下伏地幔的压力,使地幔岩石熔融并沿断裂带上涌。
熔融的岩浆通过岩石圈形成了岩浆房,岩浆房为新岩石圈的产生提供了熔融的岩浆。有时,通过俯冲作用或大陆边缘的刮削作用,地壳物质进入深部岩浆源。岩浆的储存形状似蘑菇,宽6英里,厚4英里。向岩浆房供应的岩浆数量越大,岩浆房把上覆扩张中脊抬升得越高。
随着岩浆从大洋中脊之间的谷地流出,把新的玄武岩层增加在扩张中脊的两侧,形成新的岩石圈。一些熔融的岩浆以巨大的喷发作用流出海底产生了新洋壳。大陆被动地驮在岩石圈板块之上,在扩张中脊处产生岩石圈板块,在俯冲带岩石圈板块消亡。因此,驱动裂谷产生及演化、大陆裂解、大洋形成的动力最终在地幔中产生。
扩张中脊是频繁地震和岩浆作用活动的场所(图4-6)。大多数大洋中脊体系被一些断层切割,此处是强烈的热流中心。在扩张中脊渗流出的岩浆通过中脊之间凹处的长裂缝和横向断层喷出玄武质熔岩。断层通常形成在岩石圈板块的边界,此处板块的离散作用分离了洋壳,沿整个裂隙上涌的岩浆形成了巨大的熔岩池,固结充填在裂隙中。



图4-6 1963年11月,冰岛南部7英里处的Surtsey产生了一个新冰岛(得到了美国海军的许可)
扩张中脊体系不是一条连续的山链,而是被分隔为小直段,称为扩张中心(图4-7)。在扩张中心产生的新岩石圈的运动形成了一系列断裂带,这些断裂带呈长的、狭窄的线状排列,宽40英里,由不规则的脊和谷排列成楼梯状台阶。随着海底的伸展离散,当岩石圈板块相互滑动错开时,就会形成转换断层,其长度从数英里到数百英里。转换断层从位于扩张中脊轴之间的活动断层到穿越中脊轴的不活动断裂带之间进行转换。转换断层把大洋中脊体系分成了独立的部分,每一部分具有各自独立的岩浆源。



图4-7在海底扩张中心的转换断层
中大西洋中脊的转换断层在东西方向上水平偏离。沿大洋中脊延伸方向每20~60英里就会产生一条转换断层,此处每一较大的偏离都包含一条深谷,它连接了中脊的两端。两段之间的摩擦作用产生了巨大的剪切应力,把海底削成陡峭的峡谷。其它类型的错开宽达15英里,分隔了几个扩张中心,这些扩张中心长20~30英里。扩张中心的一端常常沿另一扩张中心的一端延伸,有时,一段的两端互相弯曲。
转换断层在海底造成了横向张力,这是刚性岩石圈板块对地球表面的响应。在大西洋,这种活动是非常强烈的,在大西洋的扩张中脊体系比太平洋和印度洋的扩张中脊体系更陡峭、更参差不齐。把中大西洋中脊分开的转换断层通常比东太平洋隆起的转换断层更崎岖。而且沿东太平洋隆起几乎没什么转换断层,东太平洋隆起的海底扩张速率比中大西洋中脊的扩张速率快5~10倍,因此,转换断层影响的地壳更年轻、更热。太平洋地壳的刚性比大西洋地壳的刚性差,使太平洋海底地形几乎没什么起伏。
4.4 玄武质岩浆
大洋中脊顶部的海底是由坚硬的岩浆岩组成。约80%的海洋火山作用沿扩张中脊产生,此处,从地幔中上涌的岩浆喷涌到海底。扩张的地壳板块通过固结岩浆的稳定增生作用而生长。扩张中脊之下熔融的岩浆主要是由橄榄岩组成,橄榄岩是一种铁镁硅酸盐矿物。当橄榄岩在通过岩石圈的通道中熔融时,一部分变为高流动性的玄武岩。通过这种方式,每年有约5立方英里玄武岩组成的超过一平方英里的新洋壳在全世界形成。
向地表上升的岩浆充填了浅部的孔隙或通道,它们是岩浆活动的直接来源。最接近地表的岩浆房位于扩张中脊之下,此处,洋壳厚度只有6英里或不到6英里。就像在太平洋一样,巨大的岩浆房位于快速扩张中脊之下,此处高速形成岩石圈。窄小的岩浆房位于慢速扩张中脊之下,例如在大西洋。
当岩浆房充满岩浆并开始膨胀时,由岩浆产生的浮力使扩张中脊顶部向上凸出。熔融的岩浆供应越多,上覆海岭断块抬得越高。呈窄羽状上升的岩浆沿扩张中脊上涌,这是一种板块离散作用释放压力的被动反映,有些像高压锅的盖子揭开后,所发生的现象一样。然而只有羽状体的中心是炽热的,可以使其上升到地表。如果整个羽状体喷发,就会形成数英里高的巨大火山,它可以和太阳系中其它星球上发现的最高火山相媲美。
与大洋中脊有关的熔岩层的主要类型是席状熔岩流和形成枕状熔岩的管状熔岩流(图4-8)。像东太平洋隆升区那样,在快速扩张中脊的活动火山带中席状熔岩是更普遍的形式,在活动火山带的某些地区,板块以每年5英寸的速率分离,这些熔岩流由不到一英尺厚的平板状玄武岩组成。形成席状熔岩流的玄武岩岩浆比形成枕状熔岩流的岩浆更易流动。枕状熔岩常常出现在缓慢扩张中脊处,例如在中大西洋中脊,板块分离速率只有每年1英寸,而且熔岩的粘度非常高。新洋壳以这种形式产生解释了一些最迷人的地貌特征位于海底的原因。



图4-8 在阿拉斯加州Knight岛上的枕状熔岩(由F.H.Moffit提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
4.5环太平洋带
深海沟是海底消失在地球内部的地方,它环绕太平洋盆地。在俯冲带,岩石圈板块像席子一样沉入地幔,消失在大陆边缘和相邻的岛弧之下。板块俯冲作用产生了强烈的地震活动,在太平洋边缘的一圈地震活动带称为环太平洋地震带,它是由一系列俯冲带环绕了太平洋盆地。
大多数地震产生在板块边界(图4-9)。宽地震带是大陆板块边缘的标志,而狭窄的地震带则是许多主要大洋板块边缘的标志。最强烈的地震与板块俯冲作用有关,在俯冲带深处,一个板块俯冲插入另一板块之下。最强烈的地震沿太平洋边缘产生,在太平洋西部,环太平洋带围绕着俯冲区边缘的火山岛弧,产生了一些世界上最强烈的地震。



图4-9 大多数地震出现在与板块边界有关的区域
环太平洋带也称为强烈火山活动带。俯冲带火山形成岛弧,主要分布在太平洋,而大多数岩浆成因的山脉位于大陆。环太平洋带与“火山环”一致,这也解释了太平洋边缘包含了世界上最主要的活火山的原因,产生地震的构造作用力同样产生了火山活动。最大的地震区域位于与深海沟和岩浆岛弧有关的板块边界,此处,大洋板块俯冲在大陆板块之下。
从新西兰开始,由于断层分隔(图4-10),环太平洋带向北延伸,由环绕汤加群岛、萨摩亚群岛、斐济群岛、忠义群岛、新海布里地群岛和南罗门群岛等组成。然后向西延伸环绕新不列颠、新几内亚和摩鹿加群岛。其中一支继续向西经过印度尼西亚,而主要的另一支则向北经过菲律宾,此处的一条大断裂带从菲律宾岛的一端延伸到另一端,地震带继续沿台湾和日本群岛延伸,已证实该处是主要的地震带。




图4-10 箭头表示了新西兰惠灵顿断层(得到了美国地质勘探局的许可)
一条平行于主断裂带的内部断裂带沿马里亚纳群岛延伸。马里亚纳群岛是一串火山岛弧,它以一条大规模的海沟体系为特征,深度超过了30000英尺。该带继续向北,沿太平洋顶部的地震弧延伸,由千岛群岛(在1994年10月4日被一次8.2级的地震毁灭)、苏联东北部的勘察加半岛和阿留申群岛等组成,它们不断地摇摆延伸。地球上最大的海沟-阿留申海沟产生了多次波及阿拉斯加的大地震。一条200英里长的海沟称为Shumagin裂隙,它在递减的太平洋板块处聚集了巨大的应力,产生了大地震。
穿过太平洋盆地的东部,地震带继续沿卡斯卡底古陆俯冲带,从不列颠哥伦比亚南部到加里福尼亚北部的海岸延伸。在地质历史时期,该带使太平洋西北部发生了强烈的地震,并产生了多次巨大的火山活动。构造活动是由胡安德夫卡和Gorda板块滑到北美板块之下产生的,圣安德列斯断层(图4-11)是北美和太平洋板块之间的边界。



图4-11 在加里佛尼亚州Carrizo平原上沿圣安德列斯断层向南的景观(由R.E.Wallace提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)。
在美州中部和南部的圣安德列斯山脉地区,尤其是在智利和秘鲁,曾被世界上最大的、最具有毁灭性的地震所毁坏。1960年智利的9.5级地震是现代历史上最大的地震,它把加里福尼亚地块抬升了30英尺,在本世纪,24次7.5级以上的地震毁灭了该区。
沿海的广阔俯冲带影响了整个南美的西海岸。位于南美大陆之下的岩石圈板块使纳兹卡板块弯曲,在地壳内部深处产生了巨大的张力。当某些岩石向下俯冲时,其它板块向地表逆冲,使世界上生长最快的安第斯山脉抬升。产生的力挤压了全区,扭曲作用使地壳产生裂缝,造成了大地震。

4.6 深海沟

表4-1 世界上的海沟

海沟

深度(英里)

宽度(英里)

长度(英里)

秘鲁-智利

5.0

62

3700

爪哇

4.7

50

2800

阿留申

4.8

31

2300

中美洲

4.2

25

1700

马里亚纳

6.8

43

1600

千岛群岛-堪察加半岛

6.5

74

1400

波多黎哥

5.2

74

960

南桑威治

5.2

56

900

菲律宾

6.5

37

870

汤加

6.7

34

870

日本

5.2

62

500

在大洋中脊,新岩石圈的产生与俯冲带老岩石圈的消亡是相对应的(图4-12)。位于大陆边缘或沿岩浆岛弧分布的深海沟是俯冲带边界向海洋方向的标志。随着岩石圈板块冲入地幔,俯冲带产生了深海沟。当太平洋板块向北西方向漂移时,其前缘潜入地幔,形成了世界上最深的海沟。位于西太平洋的马里亚纳海沟是地球上的最低点,它从位于马里亚纳群岛的关岛一直向北延伸,深度在海平面之下约7英里。



图4-12 在俯冲带岩石圈板块冲入地幔形成了世界上最深的海沟
在俯冲带,由于冷的、致密的岩石圈板块冲入地幔,所以俯冲带是一低热流、高重力值(在一个地区的重力值相对于地球表面平均重力值要高)的区域;反之,由于强烈的火山活动,相关的火山岛弧为高热流、低重力值的区域。深海沟是岩浆活动强烈的区域,形成了地球上最强烈活动的火山。火山岛弧围绕海沟呈典型的弯曲形状,并且是岩浆成因的。由于海底的几何形状,所以这些岛链(例如阿留申群岛和日本岛)呈弧形。通常,一个平面(此时是刚性岩石圈)被切成球形(此处为地球的表层),联结点形成弧形,就像用刀(一个平面)切一个哈蜜瓜(球形)产生弧形一样。
海沟也是地球内部深处地震活动的场所,深约2英里。板块俯冲作用产生挤压造成岩石圈下沉产生深层地震,它是板块边界的标志。最近成排通过密克罗尼亚的浅层地震带可能是俯冲带形成的最早阶段,并指示了海沟的形成,延伸到北部和新几内亚的西部。该区的重力值比正常的重力值低,这是海底下沉形成海沟的标志。此外,地壳向该区南部凸起表明地壳沉陷的边缘开始潜入地球内部。随着深海沟在太平洋板块处消失,在另外五百万或一千万年间,俯冲作用可能并没有完全停止。
在产生新海沟的过程中,新西兰海底南部也经历了俯冲作用的早期阶段。在太平洋海底,称为麦加利中脊的地质遗迹仍然处于活动中,该中脊为一海底山链和凹槽,凹槽从新西兰向南延伸(图4-13),形成了澳大利亚和太平洋板块之间的边界,这两个板块相互之间向相反的方向移动。1989年,该处发生了8.2级大地震。



图4-13 位于新西兰南部的麦加利中脊的示意图
随着澳大利亚板块向北经过太平洋板块,沿两个板块之间的垂直断层产生破裂,形成了巨大的走滑断层。随着它们之间相互滑过,沿倾斜的断层面两个板块也被挤在一起,形成了较小的挤压地震,这表明沿麦加利中脊的俯冲作用刚刚开始。然而,位于该区侧面的分隔倾斜断层仍没有联结形成一个大断层面,这是完全俯冲开始前必需的第一步。
随着从软流圈而来的其它物质添加到板块的底部(称为板下作用),在大洋中脊,板块从它产生的位置伸展开来并逐渐变厚、变得更加致密。远离扩张中脊,在岩石圈板块下沉处,厚度随年龄的增加而增加。因此,岩石圈越老,板下的玄武岩越多,板块越厚、越致密、越深。
最终,板块变得越来越致密以致于其重量大于浮力而沉入地幔。俯冲作用产生了深海沟,清楚地定义了俯冲带。随着板块俯冲部分潜入地球内部,其余部分携带着大陆,像火车头拉着一列货车一样。下沉板块的拉力取决于俯冲带的长度、俯冲的速率和地幔物质对流产生的吸引力。板块俯冲是板块构造后面的主要驱动力,在俯冲带的拉力比扩张中脊的推力更强,使大陆沿地球表层运动。
由于沿太平洋边缘老洋壳的俯冲产生了更多的空间,所以在大西洋和太平洋东部由海底扩张产生的新洋壳发生了偏移。因为海底扩张速率与俯冲速率不同,所以与大洋中脊有关的新洋壳常常产生横向运动。大多数俯冲带位于西太平洋,这说明洋壳的年龄不超过1.7亿年。
俯冲带几乎是连续的地震活动带,而地震带是下沉的岩石圈板块的边界(图4-14)。由于板块沿俯冲带相互重叠,所以会产生高强度的毁灭性地震,例如,这些地震常常使日本、菲律宾和其它俯冲带有关的岛屿遭受灾难。



图4-14 一条俯冲下降的岩石圈板块的横剖面图。○表示浅层地震,×表示深层地震。贝尼奥夫带是地震活动的平面区域,标明了下降板块的边界。
俯冲带也是强烈火山活动的地区,在地球上产生了最强烈的火山喷发。到达洋壳表层的岩浆喷出海底,产生了新的火山岛屿。大多数火山没有上升超出海平面,而是呈孤立的海底火山构造,称为海山。太平洋盆地比大西洋和印度洋的火山活动更加强烈,海山的密度更大。俯冲带火山是爆发性的,因为俯冲带的岩浆含有大量的挥发性气体,所以当其到达地表时就会很快散逸。这种方式喷出的岩浆岩称为安山岩,其名称是由于形成南美隆起带的安第斯山脉及其强烈的喷发作用而得名的。
4.7 板块俯冲
随着刚性的岩石圈板块携带洋壳进入地球内部,洋壳缓慢分解并熔融。经过数百万年时间,进入地幔物质对流。当板块潜入地球内部时,它所捕获的水随之进入地幔变成岩浆中主要的挥发性成份。俯冲板块也为岩浆作用提供了熔融的岩浆,这些岩浆沿太平洋呈环状分布,使化学元素在地球内部重新循环。
俯冲板块携带的物质数量是巨大的。当大约1.25亿年前大西洋和印度洋张裂开始形成新洋壳时,相等面积的洋壳在地幔中消失,这就是说50亿立方英里的地壳和岩石圈物质被销毁了。以目前的俯冲速率计算,在1.6亿年中,地幔将销毁与整个地表相同面积的地壳。
岩石圈板块的会聚作用使得更薄、更致密的大洋板块位于更厚、浮力更大的大陆板块之下。当大洋板块碰撞时,较老的、较致密的板块潜入年轻的板块之下(图4-15)。深海沟是最初俯冲的标志。虽然起初板块下降的角度是很小的,但是随着板块垂直下降(一般每年2-3英寸)的速率低于板块水平运动的速率,其角度也逐渐变陡,大约为45°。



图4-15 两个大陆板块之间的碰撞(上部),大陆板块与大洋板块之间的碰撞(中间),两个大洋板块之间的碰撞(底部)。
如果陆壳进入俯冲带,其所受的较大的浮力使它不会被拖入海沟。当两个大陆板块碰撞时,从俯冲板块上刮下来的地壳就会粘贴在仰冲板块上,把两个陆壳焊结在一起。同时没有上覆地壳的俯冲岩石圈板块继续潜入地幔,把陆壳挤压在一起隆升形成山脉。
在许多俯冲带,例如安第列斯群岛,沉积物及其所含的流体被刮削作用和增生棱柱体的板下作用搬走,在与海沟相邻的仰冲板块之上形成沉积楔状体。在其它俯冲带,例如马里亚纳海沟和日本海沟,几乎很少或没有沉积物增生作用产生。因而,在增生棱柱体搬运沉积物数量方面,俯冲带之间存在明显差别。在大多数情况下,至少某些沉积物和束缚流体看起来俯冲到了较深的位置。
由其它的大陆物质造成的陆壳俯冲增加了大陆的浮力并被挤压成山脉。约4500万年前,当印度大陆与亚洲大陆碰撞时,产生了相似的过程,挤压作用形成了喜马拉雅山脉。在印度南部洋壳形成的一系列东西向褶皱证实了印度板块仍向北挤压,使亚洲大陆每年收缩3英寸。最终产生的进一步挤压和变形超过了碰撞线,形成了岩浆高原,类似于世界上最大的西藏高原。
当大陆板块与大洋板块碰撞时,密度较大的大洋板块潜入较轻的大陆板块之下,并进一步向下运动。大陆板块和大洋板块的沉积层像手风琴一样被挤压,使陆壳前缘隆升形成褶皱造山带,例如阿帕拉契亚山脉。随着下降板块进一步潜入大陆之下,到达温度非常高的深度,板块的上部熔融形成岩浆,这些岩浆上升到地表为岩浆作用提供了新的岩浆源。

5 海底火山

大量的火山隐藏在海面之下,80%以上的地表是火山成因的。不断重新形成地表的大多数火山活动产生在海底,世界上大多数火山位于海底。世界上大多数海底火山是最具爆发性的,整个岛屿消失后就会被突然出现的新火山所代替。

几乎世界上所有的岛屿起初都是由海底火山作用形成的。在火山岛屿的形成过程中,连续的喷发堆积成岩浆岩,直到火山顶部最终冲出海面为止。喷出数万英尺高的海底活火山变成了火山岛屿,从海底测量,某些岛屿是世界上最高的山脉。

 

5.1 活火山带

表5-1岩浆作用类型之间的比较

特征

俯冲作用

裂谷区

热点

位置

深海沟

大洋中脊

板块内部

活火山的百分比

80%

15%

5%

地形

山脉、岛弧

海底大洋中脊

山脉、间歇泉

实例

安第斯山脉、日本岛

亚述尔群岛、冰岛

夏威夷群岛、黄石公园

热源

板块摩擦

对流

来自地核的上升流

岩浆温度

岩浆粘度

挥发组份含量

硅质含量

喷发类型

爆发式

溢流式

爆发式和溢流式均有

岩浆产物

火山碎屑

熔岩

火山碎屑和熔岩

岩石类型

流纹岩、安山岩

玄武岩

玄武岩

火山锥类型

复合体

裂隙式火山

盾状火山

世界上的大多数火山与岩石圈板块边缘的地壳运动有关。一条几乎连续的活火山带沿太平洋边缘延伸,因为产生地震的板块作用也产生了火山作用,所以它与环太平洋带一致。最大的活动产生在沿火山岛弧和大陆边缘与深海沟有关的板块边界。
活火山带与一条环绕太平洋盆地的俯冲带相对应(图5-1),由于泛大陆的裂解,几乎破坏了所有的海底。与平均约为一亿年的海底相比,最古老的洋壳位于日本东南部的一个小岛,大约只有1.7亿年。洋壳俯冲进入地幔后熔融,为岩浆活动提供了熔融的岩浆,岩浆作用环绕深海沟分布,这就是世界上600座活火山中的大多数位于太平洋的原因(几乎一半的活火山位于西太平洋)。



图5-1 活火山带是一条环绕太平洋的俯冲带
俯冲带的岩浆作用在大陆上形成了火山链而在海洋中形成了岛弧。在会聚板块边界,一个板块俯冲在另一个板块之下。当俯冲洋壳较轻组份熔融时就会形成岩浆,涌升的岩浆形成了火山岛弧,包括印度尼西亚、菲律宾、日本、千岛群岛和阿留申群岛,它是世界最长的火山岛弧,从阿拉斯加到亚洲延伸长度超过了3000英里。
从阿留申岛的西端开始到阿拉斯加,活火山带沿着由太平洋板块俯冲到阿留申海沟产生的一串火山岛屿(图5-2)延伸。岩浆带向南跨越英国哥伦比亚的卡斯卡底山脉、华盛顿、俄勒冈州和加里福尼亚的北部,这与胡安德夫卡板块向卡斯卡底古陆俯冲带的俯冲作用有关。然后该带沿加里福尼亚Baja和墨西哥的东南部延伸,此处有Parícutin和EI Chichon火山(根据火山尘埃喷入大气的数量,后者可能是本世纪产生尘埃最多的火山)。



图5-2 位于阿拉斯加州阿留申群岛的Great Sitkin圆形火山坑(由F. S.Simons提供照片,得到了美国海军的许可)
岩浆带继续经过有大量活火山的美国中西部地区,包括哥伦比亚的内华达州,在1985年11月大规模的泥石流造成了25000人死亡。自1700年以来,大约20座其它的火山,每座都造成了1000人死亡(图5-3)。活火山带沿南美西部的安第斯山脉延伸,其强烈的爆发特征是由纳兹卡板块向智利海沟的俯冲作用所造成的。



图5-3 自1700年以来,每年都有1000多人死于火山爆发,图中显示了活火山的位置
然后,岩浆带转向南极洲、新西兰、新几内亚和印度尼西亚群岛,Tambora和腊卡塔火山产生了现代历史上最强烈的火山喷发。这些喷发是由澳大利亚板块俯冲到爪哇海沟之下所造成的。该带继续沿菲律宾延伸,1991年6月Mount Pinatubo喷出了大量的火山灰,使气候发生了巨大的变化,这次喷发是由太平洋板块俯冲到菲律宾海沟之下所形成的。活火山带穿越日本(以富士山为代表),最终在亚洲东北部的堪察加半岛终止。
例如,在西太平洋和印度尼西亚的俯冲带火山(图5-4a和b)是世界上爆发性最强烈的火山,当它们喷发时会毁灭整个岛屿。一个典型的例子是在1883年近于完全毁坏的印度尼西亚腊卡塔岛屿。这种火山的爆发特征是由于岩浆中含有丰富的氧化硅和挥发性组份,这些挥发性组份是由海底沉积物俯冲到地幔并熔融产生的水和气体组成的。随着岩浆上涌到地表,由于压力的降低使挥发性组份膨胀并使熔融的岩石产生碎裂化,在该过程中毁坏了许多火山。



图5-4a 印度尼西亚巨大的火山腊卡塔和Tambora的位置



图5-4b 印度尼西亚Andonara岛屿上的一座活火山(中部),留下了30英里长的火山灰(得到了美国海军的许可)
大陆上,板块俯冲作用产生了巨大的长链状火山。在太平洋西北部的卡斯卡底山脉是一条与北美大陆之下的俯冲带有关的火山带。南美的安第斯山脉是一条与南美大陆之下的俯冲带有关的火山链。随着岩石圈俯冲进入地幔,巨大的热量熔化了下降的板块及相邻的岩石圈板块,上升到地表的岩浆形成了成排的活火山。
5.2上涌的岩浆
由下降板块产生的俯冲带聚集了从相邻大陆和火山岛弧而来的大量沉积物。当沉积物和海水被圈闭在俯冲的大洋板块和仰冲的大陆板块之间时,它们就会经受强烈的变形、剪切、加热和变质作用(重结晶而不是熔融作用)。这些沉积物被带入地幔深处熔融成为俯冲带边缘火山作用新的岩浆源。
一些岩浆是由俯冲洋壳的部分熔融作用产生的,由下降板块顶部的剪切作用提供热量。在递减的大洋板块和大陆板块之间的软流圈楔状体中的对流运动使物质上升,在减压作用下熔融了部分洋壳。
呈巨大柱状体上升到地表的岩浆作用称为底辟作用。底辟作用的岩浆到达岩石圈下部,随着熔融的岩浆熔融其上升通道的其它物质时,底辟作用就会在地壳中形成洞穴。当底辟上升到地表时,就会形成岩浆体,成为新火山活动的直接岩浆源(图5-5)。当岩浆到达海底后,岩浆就会喷发形成新的岩浆岛屿。



图5-5 底辟作用为海底岩浆作用和扩张中脊提供了岩浆
与俯冲带岩浆作用有关的岩石类型是灰色细粒的安山岩,它含有来自深源(可能位于地下70英里深处)的丰富的硅,这种岩石取名于安第斯山脉,由于在岩浆中含有大量的挥发性组分,所以这种火山作用爆发性很强。随着岩浆上升到地表,压力降低,挥发性组分以巨大的力量逃逸,喷发出火山弹。

表5-2  岩浆岩的分类

特征

玄武岩

安山岩

流纹岩

硅含量

最低约50%

基性岩

中等,约60%

含量最高,超过65%

酸性岩

暗色矿物含量

最高

中等

最低

主要矿物

长石、辉石、橄榄石氧化物

长石、角闪石、辉石、云母

长石、石英、云母、角闪石

密度

最高

中等

最低

熔点

最高

中等

最低

地表熔岩的粘度

最低

中等

最高

形成熔岩流的可能性

最高

中等

最低

形成火山碎屑的可能性

最低

中等

最高

缓慢喷出地表的地幔物质是黑色玄武岩,它是最普通的岩浆岩。海底被大量的玄武岩所覆盖,大多数岩浆岩完全是玄武岩或以玄武质岩浆岩为主。形成玄武岩的岩浆来源于地表之下60多英里的上地幔部分熔融的地方,在该深度,半熔融的岩石比周围地幔物质的密度低、浮力大,并缓慢上升到地表。
随着岩浆上升,压力降低,使更多的地幔物质熔融。挥发性物质(如溶解的水和气体)使岩浆更易流动。在扩张中脊之下产生新洋壳的的地幔物质主要是由橄榄岩组成,橄榄岩是富含铁、镁硅酸盐的矿物。随着橄榄岩在上升到地表过程中熔融,一部分变为易流动的玄武岩。
岩浆的组成既能表示其源物质又能显示其在地幔中形成的深度。部分幔岩熔融的温度、含有大量氧化硅的部分结晶程度及地幔中大量地壳岩石的同化作用都影响了岩浆的组成。当喷出的岩浆上升到地表时,沿其通道它混合了许多其它类型的岩石,这也改变了其组分,岩浆的成分决定了其粘度和喷出类型。如果岩浆易于流动并含有少量的溶解气,那么上升到地表就会形成玄武质熔岩,像夏威夷火山一样,喷发作用十分微弱。然而,如果上升到地表的岩浆含有大量的溶解气,那么喷发作用就会是强烈爆发式的并具毁灭性。在岩浆中水可能是唯一最重要的挥发性物质,随着岩浆到达地表,造成气体快速膨胀,影响了某些火山爆发的性质(图5-6)。




图5-6 1952年9月23日,在日本岛Myojin-sho的海底火山喷发景观(得到了美国地质勘探局的许可)
5.3 岛弧
几乎所有的岩浆活动都被限制在岩石圈板块边缘。正像前面所提到的,在大陆边缘或沿火山岛弧的深海沟是向海方向俯冲带边界的标志。在会聚板块的边界,一个板块俯冲到另一板块之下,当俯冲板块轻组分熔融并上升到地表时,新岩浆就会形成。当上升的岩浆喷出海底时,就会形成岛弧,这些现象主要产生在太平洋中。
最长的火山岛弧是阿留申群岛,从阿拉斯加到亚洲延伸了3000多英里,此处太平洋板块俯冲到上覆的北美板块之下。千岛群岛向南形成了另一个长弧,日本群岛、菲律宾群岛、印度尼西亚、新赫不里底群岛、汤加岛和从帝汶岛到苏门答腊岛之间的那些岛屿也形成岛弧。这些岛弧的弯曲形状相似,地质组成相似,都与俯冲带有关。岛弧的曲率是由地球的曲率造成的,正象当一个平面切割一个球体时会形成弧形一样,当一个刚性的岩石圈板块俯冲到地球的球形地幔时就会形成弧形特征。
在俯冲过程产生深海沟处,当洋壳俯冲潜入地幔熔融时就会形成岩浆。随着岩石圈板块携带洋壳进一步沉入地球内部,它就会缓慢裂解并被熔融。经过数百万年,它被吸入地幔的循环中,可能下降到地核的顶部。最后,当岩浆呈巨大的地幔柱上升到地表时就完成了一次对流循环。
俯冲板块也直接向火山岛弧提供熔融的岩浆(图5-7)。位于每个岛弧后面是一个边缘海盆地或弧后盆地,它们是由板块俯冲作用在洋壳中产生的坳陷。像西太平洋的马里亚那海沟这样陡峻的俯冲带则形成了弧后盆地,而像沿南美西海岸的智利海沟这样的浅俯冲带则不能形成弧后盆地。典型的弧后盆地是位于中国和日本群岛之间的日本海(图5-8),该群岛是由裂解的大陆碎块组成的。随着日本群岛与亚洲板块逐渐相撞,日本海就会完全闭合。



图5-7岩石圈板块的俯冲作用造成岩浆岛弧的形成



图5-8日本海的位置
因为弧后盆地位于由岛弧后面对流作用或由地幔深处上涌作用带来的相对热物质之上,所以弧后盆地是高热流区域。由于冷的、致密的岩石圈的俯冲作用,所以海沟处为低热流区域。由于火山岛弧的强烈岩浆作用,所以相邻海沟的火山岛弧一般为高热流区域。
5.4 平顶海山和海山
与大洋中脊有关的海底岩浆作用上升超出了海面就会成为火山岛屿。世界上大多数岛屿开始形成于海底岩浆作用,持续的岩浆爆发堆积了大量的玄武岩,直到其顶峰最终冲出了海平面为止。火山灰形成了肥沃的土壤,随着岛屿变凉,风、海水和生物等携带种子迅速把刚形成的陆地改造为热带繁荣的天堂。生物必须与地球深处的地质作用抗争,然而岛屿最终可能在一场十分巨大的地震中毁灭。
大多数火山岛屿会由于海水波浪的不断侵蚀而悄然逝去。曾经高耸于太平洋海面之上的海底火山称为平顶海山。但是,波浪作用不断侵蚀它们使之位于海面之下,留下的部分看起来像圆锥体的顶部被锯掉那样。从岩浆活动区传输的这些岩浆越远,海底火山就越老、越平缓(图5-9),这表明平顶海山及其下伏的板块从其产生的位置沿海底漂移得越远。这些岛屿看起来呈流水线形式形成的,每个岛屿从位于海底的岩浆房不断向远处漂移。



图5-9 平顶海山曾经是火活山,它们从岩浆源向远处漂移,并永远消失在海面之下
在最古老的夏威夷岛屿和考艾岛之外,持续的波浪作用侵蚀了这些古代火山,目前使它们位于海平面之下。像中途岛这样的环状珊瑚岛和浅滩是由生活在侵蚀的平顶火山上的珊瑚所形成的。环礁是指珊瑚岛呈一圈环绕,包围了一个中央泻湖(图5-10)。它们由数英里长的珊瑚礁组成,许多环礁是在已沉没在海面之下的古火山锥上形成的,珊瑚的生长速率与珊瑚礁的下沉速率一致。继续向西北方向是一海底火山链,称为皇帝海山(图5-11)。据推测,它们是由单一的热点作用形成的,但这样一个地幔柱如何持续了七千多万年仍是一个谜。



图5-10 吉尔伯特群岛上的塔拉瓦岛(左)和Abaiang环礁(得到了美国国家航空和宇宙航行局的许可)



图5-11 位于太平洋北部的皇帝海山和夏威夷群岛代表了在岩浆热点之上太平洋板块的运动。注意海山向北方向弯曲是由太平洋板块移动所造成的
大多数海底火山从未上升到海面之上成为岛屿,而是呈孤立的海底火山,称为海山。从地表之下60多英里深处的上地幔上涌的岩浆集中在通向出口呈圆柱形狭窄的通道中,岩浆喷到海底形成海山,这些海山一般是隔离的,在板块内部呈链状排列。一些海山与张裂缝有关,沿这些裂缝,岩浆通过主通道上涌堆积形成连续的熔岩流。
位于太平洋之下的地壳比位于大西洋或印度洋之下的地壳更加活动,形成的海山更多。靠近菲律宾海沟的大西洋西部最高的海山高出了海底2.5英里。海底火山数量随着地壳的年龄和厚度的增加而增加。深海中脊称为深海山脉,它们是由沿大洋中脊的火山喷发产生的,覆盖了地表的60%~70%。太平洋海山的平均密度是每5000平方英里海底5~10座火山。到目前为止,海底火山密度超过了陆地上的火山密度。
有时,海山顶部有一大坑,熔岩从中喷出。如果大坑的直径超过1英里,则称为喷火山口,坑深达1000英尺。当岩浆房喷空时就会形成喷火山口,产生一个空洞。如果没有支撑,火山锥的顶部就会倒塌形成一个类似于夏威夷火山的宽凹陷(图5-12)。沿喷火山口外围的补充通道供应新鲜的熔岩充填喷火山口,使其形成平顶地貌。其它的海底火山没有形成倒塌的喷火山口,而是在其顶部包含几个孤立的山峰,高达1000英尺。



图5-12在夏威夷群岛Halemaumau火山锥上形成的宽大深坑,大量的熔岩从中涌出(由G.A.MacDonald提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
5.5 裂隙式火山
超过四分之三的海底岩浆活动产生在大洋中脊,此处玄武质岩浆从地幔涌出并喷发到海底造成海底扩张。岩石圈板块像巨大的席状体一样向地幔俯冲,在大洋中脊处又呈巨大的圆柱形热岩上升。相隔数英里的一系列地幔柱为分成几部分的扩张中脊提供岩浆。
在大洋中脊顶部,洋壳几乎全部由坚硬的岩浆岩组成。沿着大洋中脊的延伸方向,中脊系统被断裂带或位于火山活动中心的裂谷从中间分开。尽管整个系统是地壳中一系列巨大的裂缝,从裂缝中熔融的岩浆渗出海底,但是扩张中脊是频繁地震和岩浆喷发的地方。
与大洋中脊裂谷系统有关的岩浆活动是裂隙式喷发,这是最常见的火山活动类型。这种喷发形成了典型的锥形火山构造。随着海底扩张离散,当岩浆从中脊轴部喷出时,在大洋中脊或靠近大洋中脊处形成的岩浆常常呈孤立的山峰。在裂隙式火山喷发期间,熔岩通过脊顶之间谷地中的裂缝和沿横向断层分布的裂缝喷发。断层常在岩石圈板块之间的边界处产生,此处,离散板块分开了洋壳。沿整个裂缝涌出的岩浆形成了巨大的熔岩池,类似于像世界上最大的夏威夷火山Mauna Loa一样宽缓的盾状火山。
与大洋中脊有关的海山长高突出了海面成为火山岛屿。厄瓜多尔西部的加拉帕戈斯群岛是与东太平洋中隆有关的火山岛屿。与中大西洋中脊有关的火山岛屿包括冰岛、亚述尔群岛和非洲西部的佛得角群岛、阿森松岛屿和Tristan de Cunha。
在北大西洋中部由亚述尔组成的火山岛屿是由曾经位于纽芬兰下部的地幔柱或热点产生的,然后随着中大西洋中脊海底扩张作用向西漂移。在赤道北部中大西洋的Sts.Peter和Paul岛屿不是岩浆成因的,而是由靠近St.Paul转换断层和中大西洋中脊交叉点处抬升的上地幔碎块形成的。
冰岛是中大西洋中脊宽阔的火山高原。大约一千六百万年前上升露出水面,当时大洋中脊就在目前的位置(图5-13),该岛屿是唯一跨越扩张中脊体系的岛屿,此处,大西洋盆地和相邻的大陆分开。沿大洋中脊,不规则的抬升地形向两侧延伸了大约900英里,超过三分之一的高原位于海平面之上。冰岛的南部,宽阔的高原逐渐变窄形成了比中大西洋中脊更典型的构造。



图5-13 横跨中大西洋中脊的冰岛。
两边陡峭的V形山谷向北跨越整个冰岛,很少在陆地上见到大洋中部裂谷。许多火山位于裂谷的两侧,使冰岛成为地球上火山最剧烈活动的地区之一。在大洋中脊的其它部位,岩浆活动是十分普遍的,每年可能有二十多个主要的海底喷发。
海底扩张期间,随着火山从中脊轴部移开,在大洋中脊或靠近大洋中脊处形成的火山常常发育为孤峰。当海底远离扩张中脊轴部时,海底就会变厚,因为较厚的地壳能够支撑较大的块体,所以海底的变厚影响了火山的高度。在巨大的海山作用下,洋壳也会像橡皮垫一样发生弯曲,例如,位于夏威夷之下的地壳向下凹进了6英里。
除非在火山离开邻近的大洋中脊之后继续有岩浆供给火山,否则在大洋中脊处形成的火山不会增加质量。有时,除非把岩浆源切断,否则在大洋中脊或靠近大洋中脊处的火山就会形成岛屿,然后侵蚀作用开始使火山降低直到最终沉没于海平面之下(图5-14)。



图5-14 海底火山的生命周期。从顶部开始,最初在海底形成裂谷;然后熔岩堆积直到火山升出海面;最后休眠的锥形火山沉入海平面之下
5.6 热点作用
在世界各地大约有100个称为热点火山孤立岩浆活动的小区域存在。热点为从地核向地表传递热量提供了通道。地幔柱没能穿过地幔上升形成连续的流动,而是呈巨大、孤立的热岩隆起。当隆起到达地幔顶部的海底时就会产生一系列的海洋岛屿。
上升的地幔柱可以使整个地区抬升。这种现象发生在南太平洋海底3000英里宽的地区,此处的几个热点喷发形成了波利尼西亚岛链。在太平洋北部夏威夷群岛、北大西洋冰岛、印度洋南部的Kergllelen岛之下产生了相似的隆起。现代最活跃的热点位于巨大的夏威夷群岛和马达加斯东边的团圆岛之下。
与大多数其它活火山不同,这些由热点产生的活火山很少位于板块边界,而是存在于岩石圈板块内部(图5-15)。热点火山的显著特征是远离火山和地震活动中心的孤立地质体。热点火山作用的熔岩与俯冲带和裂谷带的熔岩有明显的不同,热点岩浆的特殊成分表明了它们的岩浆源存在于地幔物质对流的外部。



图5-15 全球热点分布图,热点处的地幔柱上升到了地表
由包含大量碱性矿物(例如Na和K)的玄武岩组成的熔岩表明岩浆源物质不与板块边界相连接。相反,从地幔深处而来的岩浆源物质的热点可能靠近地核顶部。热点地幔柱也可能从对流中心停滞区上升或从对流搅动的地幔区域之下上升。
随着地幔物质呈柱状向上流入岩石圈,富含挥发性组分的部分向地表涌升补充热点火山。地幔柱存在的范围指示了岩浆源物质的深度,它们不必是连续流动的地幔物质,而可能由熔岩组成,呈巨大的气泡或底辟上升。如果上涌的地幔柱不再连续地向软流圈补充地幔物质,那么板块运动就会停止。
地幔柱的一般寿命是数亿年。有时,一个热点消失,在其原来位置就会形成一个新热点。在地幔物质对流作用下,热点的位置缓慢地改变,结果,地表上热点的轨迹不是呈线性排列。然而,与板块运动相比较,地幔柱的位置实际上是固定不变的。由于热点的位移很微小,所以它们为确定板块漂移的方向和速率提供了参考点。
热点之上板块的运动轨迹常形成一系列的岩浆特征,其延伸方向代表了板块的运动方向,这就产生了沿一个方向排列的火山构造,它与相邻的大洋中脊体系斜交,而不是像裂谷火山那样平行于大洋中脊体系。热点的轨迹可能是连续的火山脊或一串火山岛和海山。热点的轨迹也能削弱地壳,像地质火炬一样切穿岩石圈。
最著名、最易识别的热点产生在夏威夷群岛,它是世界上这类岛屿中最大的岛屿(图5-16)。实际上,产生了大多数主要岛屿的夏威夷莫纳克亚火山是世界上最高的山脉,它从海底向上高达6英里,超过了珠穆朗玛峰0.5英里多。



图5-16 从航天飞机拍摄的夏威夷照片,看起来向南延伸,主岛夏威夷在照片的上部(得到了美国国家航空与宇宙航行局的许可)
最年轻的、火山活动最剧烈的岛屿是夏威夷群岛,它位于山链的东南端。一个称为Loihi的沉没火山位于夏威夷群岛南部约20英里处,它高出海底8000英尺,但仍有3000英尺位于海平面之下。或许在五万年后,它将升出海平面并取代夏威夷岛。夏威夷群岛的其它岛屿正逐渐变老,死火山向西北方向消失。
很明显,整个夏威夷山脉是由一个单一岩浆源形成的,其上太平洋板块向西北方向漂移。在海底传送带上,火山岛屿慢慢地凸出来,最老的岛屿向西北方向消失,目前离热点最远。类似的火山岛链位于太平洋并且像夏威夷岛一样走向呈东南-西北向(图5-17),表明太平洋板块正在沿该方向运动。平行于夏威夷岛链的是澳大利亚和土阿莫土群岛。该岛屿和海山是由火山热点之上的太平洋板块向西北方向运动所形成的。




图5-17 沿运动方向在平洋板块上呈线状排列的火山岛屿
然而,该板块并不总是沿此方向运动。四千多万年前,它是向北移动的,可能是由于印度板块和亚洲板块之间的碰撞造成其改变了运动方向,使热点轨迹明显地弯曲。在从加利福尼亚北部突然伸出的一条长长的、呈突然弯曲的Mendocino断裂带,证实随着印度板块和亚洲板块的碰撞,太平洋板块突然改变了方向。该时间也与北美板块和太平洋板块相一致。通过以上观察,地质学家们得出结论:热点是确定板块活动的可靠手段。
然而,在大西洋西部的百慕大群岛与该规律相矛盾。大约沿东北方向,百慕大群岛平行于美国东部的大陆边缘,长约1000英里,高出周围海底3000英尺。大约2500万年前,最后一次火山喷发停止。很明显,通过北美板块形成微弱热点不能形成洞穴,驱使在海底先前形成的构造作为通道,这就解释了火山几乎以垂直角度向上运移的原因。
Bowie 海山是沿加拿大西海岸向西北方向延伸的一系列淹没火山中最年轻的火山。它由位于海底之下400多英里的一个地幔柱提供岩浆,该地幔柱的直径约100多英里,它不是像一般的地幔柱那样直接位于海山之下,而是位于火山东部约100英里处。地幔柱可能呈向上倾斜的通道或许海山略偏离热点位置。
如果大洋中脊经过热点,地幔柱增加的从软流圈上涌的熔岩流形成了新地壳。因此,热点之上的地壳比沿其它大洋中脊之上的地壳要厚,形成了高出周围海底的高原。由于其位于东径90°,所以命名为东经九十度中脊,它是一系列火山露头,向孟加拉湾南部延伸了3000英里。约1.2亿年前印度板块在向亚洲板块运动的过程中经过热点,在印度形成了广阔的熔岩原野,称为Rajmahal Traps。
当时大陆的运动比现在的运动要快,或许是有史以来世界上最有活力的板块构造。约1.2 亿年前,海底火山的大规模喷发波及了太平洋盆地,向海底喷出了大量充满气体的熔岩。通过采集几乎同时形成的海底熔岩高原的样品表明,火山作用是阵发性的。这些高原中最大的高原是Ontong 爪哇,位于澳大利亚东北方向。大约三分之二的大陆由至少九百万立方英里的玄武岩组成,这些玄武岩足以把整个美国埋在15英尺的熔岩之下。
大约6500万年前,一个巨大裂谷沿印度西边张开,大量的熔岩喷出地表,形成了德干高原玄武岩(图5-18)。裂谷把塞舌尔海岸从大陆分隔开,形成了塞舌尔岛屿。在接下来的4000万年以前,随着印度板块继续向北运动与南亚板块碰撞,形成了Kerguelen岛。



图5-18 在印度的德干高原喷出的玄武岩
Kerguelen高原是世界上最大的水下平台。大约五千万年前,在印度洋一个巨大的水下高原被分隔成两大平台,目前相距约1200英里。9000多万年前,随着大陆从澳大利亚板块分离,当一系列火山把大量的熔岩喷到南极板块时,高原从海底生长。
在随后的数百年万年间,一条长裂谷切穿板块,把北部切下来成为印度板块的一部分,并开始向北长距离漂移。同时,板块的南半部分继续向南漂移。称为Broken Ridge的一半原始平台目前位于澳大利亚西海岸,另外一半-Kerguelen高原位于南极洲的北部。Exmouth高原位于澳大利亚大陆沉没的水下部分,当所有的大陆组合成泛大陆时,它本身就会粘在印度板块上。

6 深海流

海洋处于不断的运动之中,向世界各地传输水和热量。实际上,海洋作为一个巨大的循环机器,使全球气候达到了平衡状态。洋流沿确定好的路径输送大量海水,作为全球的“传输带”。
深海风暴搅动了深海底,在海床上搬运沉积物。在太平洋盆地由巨大的海水往返运动产生的厄尔尼诺洋流在全世界产生了不同寻常的大气气候形式。波浪和潮汐作用不断地改变海岸线。由海底地震和海岸火山喷发产生的海啸是最具破坏性的波浪,给许多沿海居民造成了巨大的人员伤亡和财产损失。
6.1海底河流
风把运动量传给海面,吹动海洋上部的水流(图6-1)。在北半球,水流不是沿风向流动,而是受科氏力作用的影响向风向的右端或西北方向偏转;在南半球,水流向风向的左端或向西南方向偏转。洋流从热带获得暖水并把它输送到较高纬度地区,冷水则从高纬度地区返回到热带地区,这种交换中和了沿岸地区的温度,使像日本和北欧的气温比它们实际纬度的温度要温暖些。



图6-1 大洋中的主要洋流
墨西哥湾流沿北大西洋盆地顺时针方向环绕了13000英里,把热带温暖的水输送到北部地区。在北太平洋它的对应部分是另外一股强水流,称为日本海流。这股海流从热带获得暖水,向北穿过日本,跨越北太平洋,然后向南温暖北美的西海岸。南太平洋的主要海流是洪保德海流或秘鲁海流,它沿南美的西海岸向北流动。
像巨大的海底飓风一样,搅动温水和冷水的涡旋常伴随着海流产生。许多涡旋是十分巨大的,直径达100多英里,高3英里。然而,大多数涡旋的直径不到50英里。还有一些,包括在靠近阿拉斯加北冰洋涡旋的直径只有10英里。这些小旋涡像巨大的搅蛋器一样在混合海水方面起了重要作用。
涡旋看起来是主洋流的缩小。像大气中的高压系统一样,在北半球,涡旋顺时针方向旋转;而在南半球,则是逆时针方向旋转。在涡旋中的海洋生物常常被带到有害的环境中,只有在更有利的海水涡旋中继续旋转,或许向上旋转几个月海洋生物才能幸存下来。
世界海洋表面存在高于冰点几度的冰水,这些冰水在两极海域的表层冻结。靠近极地冰冷、密度大的海水下沉产生强大的深海流不断流向赤道(图6-2)。与这些海流有关的是洋盆西边的涡旋,它们常常比主要海流的能量强100多倍。



图6-2 在全球海洋输送带输送暖水和冷水
由于极地海水具有低温、高盐度,所以极区表层海水比世界其它地区的海水更致密。盐度的增加造成了向两极流动海水的蒸发作用,当海水结冰时,盐份从冰中排出。随着海水密度的增加,它沉入海底,然后扩散到海底,并向赤道流动。由于地球向东旋转,所以科氏力的影响使全球海流向西偏转。陆地的分布和海底地形(包括大洋中脊和海底峡谷)也影响了海水循环的路径。
在全球洋流循环中,南极比北极的作用大。冰冷的深水洋流从南极流向赤道向左偏转挤压大西洋、太平洋和印度洋盆地的西侧。当它们遇到大陆时,类似于在狭窄的水道中水流速度更快一样,洋流加速。
沿洋底某些区域的缓流仍有许多秘密。在南极洲,一股深洋流从其发源地开始流经7500英里后,转向沿苏格兰新斯科舍南部深海平原的边缘流动。大西洋底流是世界上最大规模的底流,在靠近南极表层下沉,沿海底向北流向北大西洋的西部。
在与北大西洋海水混合之前,一些分散的水流向西偏转(由于地球向东转动)并且靠近位于广阔深海平原陆隆边缘的下部。这股海流以及湾流收缩成稠密旋涡说明了泥水是来自于延伸到巴哈马群岛南部新斯科舍南部近2000英尺深处。由湾流形成的深涡旋叠置在洋流之上形成了含沉积物的海底风暴。
因为印度洋与北极地区没有联系,所以它具有独特性,只有一股从南极洲来的冷底水。相反,大西洋和太平洋既与南极洲相连,也与北冰洋相连。分隔亚洲和阿拉斯加的狭窄、浅的白令海峡(图6-3)阻碍了深处冷水流从北冰洋流向太平洋。因为近表层的海水盐度低,比重小不能向海底下沉,所以在北冰洋的海水更易结冰,结果北冰洋形成了巨大的海冰。



图6-3位于阿拉斯加和亚洲之间的白令海峡
由于河流携带了大量的盐类,所以大西洋的海水盐度比太平洋要高。大西洋有两个主要高含盐水物源,一个是墨西哥湾流,其水是由向北流动的湾流所携带;另一个是从地中海来的深海流。地中海的气候温暖,因此蒸发作用浓缩了海水的盐度。地中海的海水向西流经直不罗陀海峡,在大西洋沉入4000英尺深处。这些水源把北大西洋表层水的盐度提高得比北太平洋表层海水盐度高许多。
随着北大西洋表层海水向北流入挪威海域,其温度降到淡水冰点以下,由于其含盐量高,所以没有结冰。冷的、致密的海水下沉到海底,它通过连接格陵兰、冰岛和苏格兰的海底中脊的一系列狭窄的海槽以相反的方向流回大西洋。被称为北大西洋深水的深海流是一条地下河流,其流量比世界上所有的河流流量加起来的20倍还多。
随着深处大量的海水向南流动,在流向北美东部大陆边缘的右侧时形成西部边缘潜流。该潜流沿北美东海岸每年搬运了大约20000立方英里的海水。所有这些深海流流速很慢,完成从极地到赤道再返回极地的时间需要1000多年,而表层流沿大洋盆地完成该循环不到10年时间。
在部分海区上升的海水与两极地区下沉海水的数量一致。从极地海洋来的海水在赤道地区上升,产生了有效的热交换系统。远离大陆海岸和靠近赤道的上升流是海底营养物质的重要来源。现代渔民沿这些上升流的海域可以捕获大量的鱼。
热带海水被太阳辐射加热并被其下上涌的海水冷却,这种交互作用产生了赤道和极地的热传输。离岸风和向岸风也驱动了上升流(图6-4)。这些过程使整个海洋像一巨大的热机,把大量的热量输送到全世界各地。



图6-4 由离岸风形成的上升流和由向岸风形成的下降流
6.2 厄尔尼诺现象
洋流对气候产生了巨大的影响。这些系统的巨大变化造成了全世界反常的气候形势(图6-5)。1982-83年厄尔尼诺特殊的海洋条件极大地影响了在太平洋远离厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛,围绕该岛屿的洋流情况十分复杂,并受赤道潜流的巨大影响,该潜流是地下约600英尺厚向东流动的洋流。当海水表面温度异常高时,围绕加拉帕戈斯群岛浮游植物的分布可能造成海鸟和海岛上海洋哺乳动物生殖系统的退化。



图6-5 在厄尔尼诺期间,气流的变化,点划线表示正常的气流
大约每3-7年,称为厄尔尼诺南方涛动(ENSO)的异常大气压变化在南太平洋产生。随着东太平洋复活岛气压升高,在西太平洋澳大利亚达尔文岛的气压下降。当厄尔尼诺产生时,在东太平洋之上的大气压下降,而在西太平洋上空的大气压则升高。当厄尔尼诺结束时,这两个地区的气压正好相反,形成了大气压的跷跷板效应。当厄尔尼诺现象发生过程中,向西的信风中断。风力作用造成的在西太平洋的暖水堆积使气流返回东太平洋,在南太平洋盆地形成巨大的水体搅动现象。
在拉尼娜现象发生期间,则会产生相反的情况,此时太平洋的表层水变冷。在1988年6-7月,太平洋中部的水温突然降到了非常低的水平,表明气候从厄尔尼诺现象向拉尼娜现象转变,这种变化的气候影响了世界各地沉淀-蒸发平衡(图6-6)。强烈的季风袭击了印度和孟加拉湾,暴雨袭击了澳大利亚。拉尼娜现象还造成了美国的严重干旱,一年以后使全球气候明显降低。



图6-6 地球上平均的沉淀-蒸发平衡图。在正值区域,沉淀作用超过了蒸发作用;在负值区域,蒸发作用超过了沉淀作用。
沿南美的西海岸,东南信风驱动秘鲁海流,推动了表层水的离岸运动,使冷的、富含营养的水涌上表层。信风向西的推力继续穿过太平洋东部和中部,海洋表层产生的应力在西太平洋使海水堆积产生海洋温暖表层在西太平洋变厚,而在东太平洋变薄。温跃层是海洋中冷水层和暖水层的边界,在西太平洋,温跃层大约下降了600英尺;而在东太平洋,温跃层上升了约150英尺。因为温跃层靠近表层,远离南美海岸的上涌海水通常是冷的。
大约10月份开始的厄尔尼诺事件期间,在西太平洋的信风停止,使厚层的暖水崩溃。水流以底波形式流回东部,该底波被称为开尔文波,在2~3个月后,开尔文波就会到达南美海岸,在南太平洋盆地形成了一股巨大的反转海流。开尔文波产生了向东流动的洋流,把暖水从西部输送到东部。这种作用降低了温跃层界面,并阻止下部的冷水上涌。
随着从西部来的暖水增加以及对下部来的冷水的抑制作用,到12月或1月时,海洋表面开始变暖。暖水的分布使雷雨的位置发生移动,雷暴把热和水吸入大气中,最终改变了全世界大气环流的路径。随着厄尔尼诺事件的继续发展,信风开始从西向东吹,加强了开尔文波并使南美的温跃层进一步降低。
虽然此时上升的水是温暖的并且造成了渔业产量大幅度下降,但是,沿南美西海岸向北流动的秘鲁海流没有被厄尔尼诺事件削弱,而是继续把海水吸到表层。离开近南美赤道向西的洋流不仅没有被开尔文波向东的推力减弱,而且比从前更加温暖。这就使海水表层的热量沿赤道向西分布(图6—7),正常风向的反转,造成了全球气候型式的破坏。



图 6-7 点画区域表示了1972年在太平洋厄尔尼诺事件期间受海面温度升高影响的区域
6.3 深海风暴
海洋底部的黑色深渊被认为是平静的和几乎完全静止的,沉积物像雨点一样缓慢降落,并以约2000年1英寸的速率堆积。最新的研究表明,罕见的海底风暴常常搬运沉积物并且把在海底沉积很长时间的沉积物重新进行分布。偶尔,汹涌的底流铲去泥的顶层,把动物遗迹铲去并在沉积物表面产生波痕,非常像风和河流产生的波痕一样。
在大洋盆地的西边,海底风暴环绕大陆隆的底部,搬运了大量的沉积物,并极大地改造了海底。在某些地区,风暴冲刷海底;而在另外一些地区则沉积了大量的粉沙和泥。强大的水流以大约每小时1英里的速度流动,因为海水的密度高,所以它们横扫海底,就像每小时45英里速度的大风侵蚀近岸潜水区的效果一样。
沿某一定义好的路径传播的深海风暴可以由海底长沉积物耕地表示(图6-8)。海底的冲刷作用和细粒沉积物的厚层堆积造成了比仅仅由连续沉积物形成的更加复杂的海洋地质学。周期性沉积物的搬运作用形成了类似于浅海强烈风暴产生的层序,呈不同大小颗粒沉积物叠复粒序层。



图6-8 深潜艇阿尔文拍摄的大西洋海底表面宽阔平坦的耕地地形(由N.P.Edgar提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
海底沉积物是由碎屑物质组成,包括陆源沉积物、腐烂的植物、贝壳和海面之下300英尺深处阳光充足水域繁盛的死亡微生物骨骼。海水的深度影响了海洋生物沉积的速率。贝壳下降的越深,在到达海底之前,溶解在深海冷的、高压水体中的机会就越大。保存条件也取决于迅速的埋藏而不被深水侵蚀。
河流把碎屑物质搬运到大陆边缘进入大陆架,此处,洋流卷起碎屑物质,当碎屑物质到达大陆架边缘时,在重力作用下碎屑物质滑塌到大陆隆的根部。每年大约150亿吨的陆源物质被搬运到河口地区(6-9)。大多数碎屑物质在靠近河口和大陆架上沉积,只有数十亿吨的碎屑物质被搬运到深海。此外,河流和亚热带地区强沙尘暴也把大量的陆源物质搬运到海洋中。风成沉积物也含有大量的铁,铁是浮游生物繁殖所需要的重要营养物质。在海洋中缺铁的地区则呈现沙漠化,此处,即使有充足的营养物质也会出现残酷的竞争。



图6-9 阿拉斯加Icy湾Yahtse河口三角洲(由J.H.Hartshorn提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
每年海洋中的生物向海底沉积了约30亿吨的沉积物。在大部分地区由洋流控制的生物生产力决定了堆积速率。富营养的海水从大海深处上涌到阳光照射区,微生物摄取营养物质,高生产率和高堆积速率区域一般出现在靠近洋流的前缘地区(例如环绕南极洲的地区)和沿主洋流的边缘地区(例如墨西哥暖流、菲律宾暖流或沿太平洋盆地顺时针方向流动的日本暖流)。
最大量的粉沙和泥以及最强的底流位于北大西洋和南大西洋西边的高纬度地区,这些地区具有产生深海风暴的最大潜力,深海风暴形成并改变了海底底形,它们也形成了地球上最大规模的沉积物漂浮体,覆盖了600多英里长、100多英里宽和1英里厚的区域。位于深度2-3英里的深海流在形成远离北美和南美大陆隆中起了主要作用。在世界其它地方,沿非洲、南极洲、澳大利亚、新西兰和印度大陆的边缘,底流造成了细粒物质的分布。
施放到海底的仪器测量了水流动力学和它们对沉积物流的影响(图6-10)。在深海风暴期间,底流的速度从大约0.1英里/小时增到1英里/小时以上。大西洋的风暴是由湾流产生的涡旋能量形成的。在风暴前进过程中,悬浮的沉积物载荷增加了10倍,底流能够把约1吨的沉积物每分钟搬运很长距离。运动的悬浮沉积物看起来像粘在一起的一股浊水。风暴可能持续几天到几周的时间,最后,流速降到正常速度,沉积物从悬浮液中沉降到海底。



图6-10 在海底测量海水动力学和沉积物流动的仪器设备(由N.P.Edgar提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
并不是所有的漂浮物都直接卷入深海风暴,深海流搬运的物质也对大面积的海区进行了改造。风暴的主要作用是搅起了沉积物,然后,底流把沉积物向下游搬运了很长的距离。深海环流没有表现为强季节性,因而,何时产生深海风暴不可预测。每2~3个月,深海风暴就可能侵袭海区一次。
6.4 潮汐
潮汐是由月球和太阳对海水的重力作用产生的。月球在一椭圆形轨道上围绕地球旋转,在朝向月球一面的引力比另一面的引力要强。在月球两边的引力差大约是13%,这就延长了地月系统的中心。地球上重力产生了两次涨潮,随着地球的旋转,海水形成两次涨潮,一次面向月球,而另一次则背离月球。在两次涨潮期间,海水变浅,海水表面表现为一完整的蛋形表面。在最大高潮时,大洋中部只升高了约2.5英尺,但是由于海水反弹晃动的影响和海岸线的形状变化,在海岸地带潮汐常升高数倍。
地球的日运动造成表层每个点每天两次涨落,因此,随着地球的旋转潮汐每天有两次涨落。月球也围绕地球沿同样方向旋转,只是快一些。当表层一个点旋转到一半路程时潮汐随月球运动向前运动,每天该点必须转得更快才能赶上潮涌,因此,两次高潮之间的实际间隔是12小时25分。
如果陆地不阻挡潮水的运动,那么所有的海岸每天就会有两次几乎同样幅度的高潮和低潮,我们称这些潮为半日潮,它们产生在沿北美和欧洲的大西洋海岸。然而,当潮波受陆地影响而发生偏转和破碎时,就会形成不同的潮汐形式。由于这种作用,潮汐海水常常形成相隔数千英里远的波峰和波谷。在某些地区,潮汐与附近大规模水体运动相一致,结果,像墨西哥沿岸的某些地区每天只有一次潮,称为全日潮,周期是24小时50分钟
太阳也能形成12小时的半日潮和24小时的全日潮,由于太阳比月球离地球更远,所以太阳产生的潮汐仅仅是月潮幅度的一半。潮汐振幅是高水位和低水位的幅度差,它取决于太阳潮汐和月球潮汐之间的关系,并由地球、月亮和太阳的相对位置决定。
当地球、月亮和太阳排成几乎一条直线时(称为塑望,该词来源于希腊词syzygos,意思是结合在一起),新月和满月期间,每月有两次大潮。这就是大潮的时刻,该词来源于撒克逊语springan,意思是水面上升或涨水。在满月的1/4和3/4期间产生最低潮,振幅最小。当地球、月球和太阳的相对位置形成直角时,太阳潮和月潮方向相反。
实际上,靠近河口的潮汐盆地与进潮流产生共振。在潮汐周期开始时,共振使盆地一边的水位高,中间的水位低,而在潮汐末期水位又升高。进潮汐使盆地中的水发生振荡来回晃动。向河口运动的潮汐和振动的传播同步发生,在海湾处潮汐作用加强,使高潮比平时的高潮更高,低潮比平时的低潮更低。
在一个潮汐盆地内,怒潮是一种特殊的振动。一般在新月或满月期间,怒潮是携带潮水向上游运移的单一波。最大的怒潮之一席卷了亚马逊河,波高达25英尺,数英里宽,向上游波及500英里。虽然高潮水体能产生怒潮,但是只有一半的怒潮与潮汐盆地的共振有关。
许多河流向海洋方向终止需经过潮汐地段,在这种情况下,河口处的潮汐是对称的,每次退潮和涨潮都持续6个小时。退潮和涨潮是指与潮汐有关的水流,退潮流向海洋,而涨潮流入河口。向河流的上游,潮汐是不对称增加,在低水位和高水位期间比在高水位和低水位期间持续的时间短,尽管潮汐很快进入河道,但随河流逐渐会回到海洋。因为潮汐以单波非常快地进入河流,所以海洋放大了这种不对称性。尽管怒潮向河流的上游运动,但是它必定比河水的流速要高,否则它会被向下游流动的河水顶回海洋。

图 6-11 主要的怒潮

国家

潮汐盆地

潮汐体

已知怒潮的位置

孟加拉共和国

恒河

孟加拉湾

 

巴西

亚马逊河

Capim

Canal do Norte

Guama

Tocantuns

Araguari

大西洋

Capim

加拿大

Petitcodial

Salmon

Fundy湾

Moncton

Truro

中国

钱塘江

东中国海

海宁到杭州

英国

Severn

Parret

Wye

 

Mersey

Dee

 

特伦特

布里斯托海峡

 

 

 

爱尔兰海

 

 

北海

Framilode to 

Gloucester

Bridgwater

 

利物浦到惠灵顿

 

 

Gunness to

Gainsborough

法国

塞纳河

Orne

Coueson

Vilaine

卢瓦尔河

Gironde

Dordogne

加仑河

英吉利海峡

 

Gulf of St. Malo

比斯开湾

Gaudebec

 

 

 

 

Iies de Margaux

La Caune to Brunne

Bordeaux to Cadillac

印度

Narmada

Hooghly

阿拉伯海

孟加拉湾

 

Hooghly Pt. To Calcutta

墨西哥

科罗拉多

加里福尼亚湾

科罗拉多三角洲

巴基斯坦

印德斯

阿拉伯海

 

苏格兰

索尔威湾

Forth

爱尔兰海

 

美国

Turnagain Arm Knik Arm

Cook Inlet

Anchorage to Portage

6.5 海浪
当大风吹过海面时,大风暴就会在海面上形成海浪(图6-11)。波程是风吹过海面的距离,取决于风暴的大小和水体的宽度。波要到达一个完全开阔的海,吹程至少200英里,相当于20节风,500英里相当于40节风,800英里相当于60节风。
波高是由风速和风的持续时间决定的。例如,风速为30英里/小时可以在24小时内到达完全开阔海,波高达20英尺。一般在强大风暴吹过海面3~5天后,当波高达到最大时,就会产生最大的海浪。然而,如果风速持续60英里/小时,那么广海平均波高就会超过60英尺。



图6-11 开阔海波浪和称为海雾的神秘气候现象,产生在美国弗吉尼亚洲诺福克港东150英里处(得到了美国海军的许可)
波高是指从波峰的顶部到波谷的底部之间的距离,一般不超过20英尺。偶尔,有30~50英尺高的风暴浪报道,但这些风暴不常见。异常的大浪更少见。1933年美国海军军舰在太平洋发现了100英尺高的巨浪。在1945年西太平洋台风期间,另一个大浪使运载美国 Bennlangton飞机的飞行甲板发生弯曲(图6-12)。



图6-12 1945年6月在西太平洋,台风过后美国Bennlngton飞行甲板发生弯曲(得到了美国海军的许可)
波形随水深而发生变化(图6-13)。在深水区,波形呈对称型,具有光滑的波峰和波谷。在浅水区,波形呈不对称型,具有尖波峰和宽波谷。如果水深超过波长的一半,那么这种波就被称为深水波;如果水深不到波长的一半,那么这种波就被称为浅水波。



图6-13 碎浪的形成机制。
波长是指波峰到波峰之间的距离(图6-14),波长取决于海中风暴的位置和强度。风暴浪的平均波长从300英尺到800英尺,随着波浪远离风暴区,波长较长的波浪在风暴前方运动形成涌浪,传播很长距离。在开阔海,涌浪波长一般为1000英尺,在大西洋涌浪波长最大为2500英尺,在太平洋涌浪最大为3000英尺。



图6-14波的特征,L-波长,H-波高,D-波深度。
波的周期是指波传播一定距离所需的时间,即从一个波峰到另一个波峰所需的时间。在海洋中,波的周期从不到1秒的小波纹到超过24小时的巨大波浪。周期不到5分钟的波称为重力波,它包括风驱波浪拍打海岸形成的碎浪,这些波的周期大多数为5~20秒。由海底地震或滑坡作用产生的地震海波的周期一般为15分钟或更长,波长可达数百英里。
周期为5分钟到12小时的波称为长波,一般由风暴作用产生。其它长波是由各海区上空大气压力季节性差异作用所形成的,例如在前面章节中所讨论的南方涛动现象。长周期的波浪比短周期的波浪传播的快,波速与波长的平方根成比例。短周期波浪相对尖,对小船来说十分危险,因为小船的船头可能在波峰上而船尾则在波谷中,有可能使小船倾覆或沉没。
6.6 地震海波
破坏性的波浪也是由海底和近岸的地震所产生的(图6-15),它们被称为地震海波或海啸,日本词的意思是“潮汐波”,之所以这样命名的原因是它们经常在这样的区域发生。然而,这些波浪与潮汐没有任何关系,在地震时海底的垂直位移造成最具破坏性的海啸,而且其波能与地震强度成正比例关系。



图6-15 1964年3月27日在阿拉斯加斯沃德地区的一处铁路中枢站地震海波造成的巨大破坏(得到了美国地质勘探局的许可)
在开阔海域,波峰之间可长达300英里而高度却常小于3英尺。但是,波浪却可以向下波及数千英尺,一直到海底。波峰与波峰之间的距离(或称波长)在60~120海里之间,造成海啸有微小的倾斜,这就使得它几乎在不被注意的情况下就能通过轮船的下方。海啸以300~600海里/小时的速度传播。尽管大多数的海啸仅仅只有数十英尺高,但是一旦进入浅水区,海啸就会形成一堵200英尺高的水墙。
当海啸触及海港或狭窄的海湾底部的时候,它的速度迅速减小到大约100海里/小时。突然的振动造成水量堆积,极大地增大了波高。波浪的破坏力是十分巨大的,当它冲刷海岸时所造成的破坏也是相当大的。巨大的建筑物轻而易举地被毁坏,巨型轮船像玩具一样被抛入内陆(图6-16)。



图6-16 1964年3月27日阿拉斯加地震作用产生的地震海波在斯沃德地区复活湾造成渔船在数百英尺的内陆处搁浅(得到了美国地质勘探局的许可)
与火山岛屿的形成或消亡有关的爆发式喷发也会产生高度破坏性的大规模海啸。约1/4的人员伤亡是火山喷发作用形成的海啸造成的。强大的波浪把火山的能量传送到火山本身所不能到达的区域。大量的火山碎屑(岩浆碎屑)流入海洋或由火山喷发引起的滑坡同样也会产生海啸,海岸和海底滑坡也可以产生大规模的海啸,它可以波及相邻的海岸地区(图6-17)。



图6-17 1958年产生的大规模岩石滑坡,在阿拉斯加的纪念碑岛屿和利图雅湾南部海岸的裸露地区显示的波浪侵蚀作用(由D.J.Miller提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
阿拉斯加奥古斯特山的大部分已经倒塌并滑入海洋,产生了巨大的海啸。在过去的2000年间,大规模的山崩已使火山侧翼多次遭到破坏。1883年10月6日发生了最后一次滑坡,当时火山侧翼的碎屑坠入了库克湾。这次滑坡产生了30英尺高的海啸,其能量传到了54英里远处的格雷厄姆港,毁坏了许多船只,淹没了大量房屋。
大约40年前,海底地震还很难预报,人们对海啸所知道的唯一警报就是海水从海岸迅速地消失。经常受到海啸侵袭的海岸附近地区的居民非常注意这些征兆,一旦发现了这些海啸征兆,他们就会搬到更高的地方。海水退却几分钟后,可怕的巨浪就会侵入内陆数百英尺。常常是一波海水刚刚撤退,另外一波海水又将侵入。在被障蔽礁保护的海岸和岛屿或海底逐渐抬升的地方,大量的海啸能量在海啸到达海滨之前就被消耗掉了。在非常深的火山岛屿,像夏威夷岛,或者港口以外的深海沟地带,一次即将发生的海啸可以达到惊人的高度。
世界上最容易发生海啸的区域是太平洋边缘,因为这里有最频繁的地震和火山活动。海底地震引起的海啸可以穿越整个太平洋并且影响大洋数天。在阿拉斯加产生的一次海啸在6小时内到达夏威夷,9小时内到达日本,14小时内到达菲律宾。智利海岸的海啸可在15小时内到达夏威夷,22小时内到达日本。幸运的是这给海岸地区的居民提供足够的时间采取必要的安全措施来保护他们的生命和财产安全。

7 海岸地质

地表沉积物的不断搬运和海底沉积的不断堆积使得地表处于不断变化之中。在强烈风暴期间,海水不断拍打海岸造成了海岸侵蚀,伴随风暴而来的巨浪侵蚀沙丘和海蚀崖。海浪的不断冲击也毁坏了许多防止海面上升的人工防波提。
美国过去的一个沙滩正在沉没于海面之下。沿美国东海岸和德克萨斯州沿岸的障壁岛和沙坝正在以惊人的速度消失。在加里福尼亚,海蚀崖也正以更快的速度被侵蚀而伸入内陆,这种作用经常毁坏美丽的家园。大多数防护措施(如为防护沿岸侵蚀而修建的防波提)常因海水的不断拍打而被毁坏(图7-1)。



图7-1 在维吉尼亚海滩由于风暴和高潮造成对海滨地区的破坏(由K.Rice提供照片,得到了美国农业部土壤保持局的许可)
7.1沉积作用
在海底发生的大多数沉积作用是相当缓慢的。大陆是侵蚀作用的主要场所,而海洋是主要的沉积作用场所。海洋沉积物由从大陆侵蚀的一些物质组成,大多数沉积岩沿大陆边缘和在内陆海盆地中形成。在中生代,这些海水侵入北美、南美、欧洲和亚洲内部。高沉积速率的地区形成了数千英尺厚的沉积物,此处这些沉积物暴露于海面。单一沉积层可以追踪数百英里。当侵蚀作用剥蚀山脉,河水把剥蚀碎屑物搬运到大海时,沉积岩层就开始形成了。沉积物源于表层岩石的风化作用,风化产物包括很多物质,从细粒沉积物到巨大的鹅卵石。暴露于地表的岩石,有的被化学作用分解成粘土和碳酸盐,有的被机械破碎为粉砂、沙和砾石。
风、雨、冰的侵蚀作用把沉积物带入河流中,松散的沉积颗粒被河流携入大海中。棱角状的沉积物颗粒表明搬运时间短,而圆滑的沉积物说明它在长时间搬运中受到严重磨损,或者经历了急流的改造作用,或者是由于岸边波浪的不断冲刷作用所致。的确,很多砂岩层曾经是海滩沉积。
每年约250亿吨沉积物经河流搬运到海洋并在大陆架上沉积。高耸的喜马拉雅山脉是最大的沉积物源区。流经该区的主要河流包括著名的恒河和雅鲁藏布江,把占全球约40%的沉积物搬运到孟加拉湾,形成了数英里厚的沉积层。
像亚马逊河和密西西比河这样的大河,从它们各自的物源区搬运大量的沉积物到海洋中。在它们的物源区大规模砍伐森林和严重的土地侵蚀迫使北美的亚马逊河——世界上最大的河——把更多的沉积物搬运到海洋。从落基山到阿伯拉契亚山脉,密西西比河和它的分支河流经美国中部的主要地区。所有流入密西西比河的支流都有它们自己的流域,形成较大盆地的一部分。
每年,密西西比河将数亿吨沉积物搬运到墨西哥湾,加宽了密西西比河三角洲(图7-2),并缓慢地形成了路易斯安娜州及其附近州的陆地区域。从德克萨斯洲东部到佛罗里达洲的狭长地区,湾岸是由沉积物形成的,这些沉积物来自大陆内部的侵蚀作用并被密西西比河和其它河流搬运到海岸地区。携带大量沉积物的河流溢满了河床并且呈弯曲状流向海洋。当河水流入海洋时,流速迅速减小,沉积物负载从悬浮物中下沉。另外,在海浪和海流作用下,河水所携带的化学溶解物质与海水充分混合。



图7-2 在密西西比河三角洲形成的沉积物,左边是1930年的情形,右边是1956年的情形(由H.P.Guy提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)

表7-1 海平面的主要变化

时间

海平面

历史事件

公元前2200年

 

公元前1600年

在英国的海岸森林被海水淹没

公元前1400年

 

公元前1200年

埃及的统治者Ramses二世修建了第一条苏伊士运河

公元前500年

此时期修建的许多希腊和腓尼基港口现在位于水下

公元前200年

正常

 

公元100年

以色列海法市现今修建的内陆港口

公元200年

正常

 

公元400年

 

公元600年

意大利拉文纳港口变为陆地所环绕的。修建了维尼斯,目前被亚德里亚海所淹没

公元800年

 

公元1200年

欧洲开发低洼的盐沼湿地

公元1400年

沿北海低洼国家大面积被海水淹没,荷兰人开始修建海堤

 

当河流携带的沉积物到达海洋时,就会按颗粒大小从悬浮液中沉积下来。粗粒沉积物在动荡水体环境中沉积;细粒沉积物在远离海岸的静水环境中沉积。由于海岸沉积物的堆积或海平面下降,随着海岸线向海洋方向后退,细粒沉积物逐渐被粗粒沉积物所覆盖;随着陆地下沉,海岸线向陆地方向转移,海平面上升 ,粗粒沉积物又逐渐被细粒沉积物所覆盖。
由于海侵和海退的沉积速率不同形成了砂、粉砂和泥的循环层序。砂是由与海滩沙粒大小差不多的石英颗粒组成。暴露于美国西部的海相砂岩沿古海岸沉积。大洋中的砾石很少,而且主要由海底滑坡自海岸搬运到深海平原。在干旱地区沙尘暴盛行,风从该区搬走细粒沉积物,风携带的沉积物缓慢地落入海洋,日积月累形成红色粘土沉积,其颜色表明了它是陆地成因,而绿色或者灰色沉积物则指示了海洋环境。
由于上覆的沉积层的重量挤压了下伏地层,使沉积物经成岩作用变为坚硬的岩石,形成了一幅由石灰岩、页岩、粉砂岩和砂岩交互层组成的地质剖面图(图7-3)。最终,磨损作用把所有岩石粉碎成粘土颗粒。因为粘土颗粒细小,下沉很慢,所以它们通常在远离海岸风平浪静的深海中沉积。来自上覆地层的压实作用把沉积物颗粒中的水分挤出,使粘土经成岩作用变成泥岩或页岩。


图7-3 地层剖面图,表示位于基岩(由石灰岩组成)之上砂岩、粉砂岩和页岩组成的层序
沉积层厚度的变化反映了它们沉积时不同的沉积环境,厚层砂岩夹有薄层页岩表明粗粒沉积经常被细粒沉积分隔。当沉积岩的颗粒从底层的粗粒到顶部的细粒变化时就会产生递变层理,这种层理表明由一个急流携带着不同大小的沉积物快速沉降在海水中,因为沉降速率不同,所以最大的颗粒先沉积,然后逐渐被较细的沉积物所覆盖。沉积层也会在横向上发生变化,形成沉积物从粗到细的横向递变。
沉积物沉降在大陆架上,横向延伸达100多英里,厚约600英尺。在大多数地区,大陆架几乎是平坦的,平均坡度仅为10英尺/英里。在大陆架之外是大陆坡,平均深度超过2英里(图7-4),与许多山脉的坡度相比,大陆坡有较陡的坡角。



图7-4 海底剖面图,垂直比例被放大了
在重力作用下,大陆架边缘的沉积物沿着大陆坡下滑。通常,重力滑动造成大量沉积物沿大陆斜坡下滑挖掘出陡峭的海底峡谷。这些峡谷在大陆坡的建造和海底之下的平滑过程中起了重要作用。

7.2风暴浪

表7-2 波弗特风级

波弗特数

描述

英里/小时

特征

0

无风

 

烟垂直上升

1

软风

1-3

用烟的飘动表示风向,而不是用风信旗表示

2

轻风

4-7

人脸感觉有风,树叶沙沙作响。

3

微风

8-12

树叶及微枝不停地摆动,旗帜展开

4

和风

13-18

能吹起地面灰尘和松散的蒸汽,树的小枝微动。

5

清劲风

19-24

小树开始摇摆,内陆水面有小波形成

6

强风

25-31

大树枝摆动,电线呼呼作响

7

疾风

32-38

整个树摇动,迎风步行感觉有阻力

8

大风

39-46

小树枝折断,在开阔海面形成大浪

9

烈风

47-54

大树枝折断,有轻微的建筑物损坏

10

狂风

55-63

树木连根拔起,建筑物损坏严重

11

暴风

64-75

大多数建筑物损坏,在海岸地区产生海滩侵蚀作用

12-17

飓风

>75

破坏严重,风暴浪给海岸地区造成巨大毁坏

海洋风暴会产生压力改变和强风,高潮时强风堆积海水并导致海水泛滥。特别是当月亮、太阳和地球在同一条直线时,大风浪和正常潮汐共同作用会产生严重的潮汐泛滥。当潮水进入时,大浪升至最高潮位,强烈的向岸风把海水推向海滨;低潮时反之,强烈的离岸风使海面降至低潮线,使海平面大幅度降低,有时会使港口内的船舶搁浅。
在沿岸风暴发生时,大多会伴随巨浪和海岸侵蚀。雷暴和暴风是最强烈的风暴,在中纬度地区经常发生,并伴随有突发性的大风、冰雹、闪电,造成海水的快速堆积。一个单一的雷暴的生命周期通常不到半小时。当雷暴消失后,在其位置会产生一个新的雷暴。
在冷锋前缘形成前沿风暴。风暴线常常领先冷锋前缘,呈特殊的深灰色、圆柱状的云团,它看起来横穿天空从地平线的一端到另一端(图7-5)。风暴以大约25英里/小时的速率向前推移,若有暴风推动则速率可达60英里/小时。然而,它们延续的时间非常短,一般持续时间不超过15分钟。风暴来临时能掀起数英尺高的波浪,但由于风暴持续时间非常短,所以波浪就像它们生成时一样很快就消亡。



图7-5 在佛罗里达州杰克逊维尔市随着前面暴风线的通过,形成了滚动云的前缘(得到了美国海军的许可)
台风和飓风能产生最大的风暴浪(图7-6)。飓风是由风暴向前旋转产生的,风暴的速度高达100英里/小时或更快,在风暴的前面推动海水。飓风的中心呈低压,可以把海水吸到数英尺高。当飓风横穿大洋时,它的速度与海浪的速度相一致,它常常与涌浪产生共振。这就增加了涌浪的高度,据报道,在某些飓风期间,有些风浪可达到60英尺。



图7-6 1984年汹涌的波浪穿越靠近卡莱罗纳州北部海角汉特若斯地区并把这些地区淹没(由R.Dolan提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
当飓风靠近海岸时,风卷起海水,由于低压作用产生水隆,尤其是当周期性涨潮叠加时,产生的涌浪和涌浪波可能产生的共振能够形成最致命的组合,其结果是造成大规模的洪水泛滥、巨大的财产损失和大量的人员伤亡。
潮汐洪水在靠近海洋、河口或大湖等沿岸地区泛滥。海岸陆地(包括沙坝、沙嘴和三角洲)提供同样的阻挡防止海水形成泛滥平原。海岸洪水主要是由高潮、大风浪、海啸或它们共同作用所产生的。当飓风浪与伴随风暴的大雨而产生的洪流共同作用时也会引发潮汐洪水。
洪水可以沿海岸线传播很远,但持续时间往往不长,这主要取决于潮汐的高度,通常情况下每天有两次涨潮和退潮。如果涨潮,那么产生大波浪的其它力能提高主要高潮的最大高潮线。当大风浪与规则潮汐结合时会发生最强烈的潮汐洪水,它会造成巨大灾害,严重侵蚀海岸,使海岸线向内陆移动。
7.3 海岸侵蚀
当海蚀崖被波浪作用侵蚀并掉入海洋时,产生的地质现象称为海岸滑塌(图7-7)。海蚀崖的后退是由海洋和非海洋营力作用产生的,这些营力包括浪击、风驱盐喷和矿物溶解。非海洋营力对海蚀崖的侵蚀作用主要包括化学作用和机械作用,地表流水和降雨。机械侵蚀作用包括裂缝中水的冰冻和融化,这些作用使得已存在的裂缝扩大。风化作用使岩石发生裂分解作用或使表层剥落或脱落。使岩石变软的动物活动也影响了海蚀崖的侵蚀作用,就像在土壤中交叉裂缝的掘穴一样。


图7-7 在加利福尼亚San Mateo County Devils Slide 1号高速公路的海岸滑塌现象(由R.D.Brown提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
地表水向下流动,风夹着雨水进一步侵蚀海蚀崖。沿海岸过多的降雨也能润滑沉积物,使巨大的岩块滑落到海中。在海蚀崖的表面,流过海蚀崖边缘的水和风夹雨常常形成刻蚀凹槽,从海蚀崖渗出的地下水也能在海蚀崖表面产生一些犬牙交错的裂缝,使上覆地层变得疏松。水的另一种作用也增加了沉积物中的孔隙压力,降低了把岩石粘结在一起的剪切强度(内部的应力作用)。如果层面、裂缝或连结面向海洋倾斜,那么水流就会沿这些薄弱区域使岩石发生滑动。这种作用已在夏威夷群岛迎风一侧形成了巨大峡谷,此处泉水从孔隙性的熔岩流中急速流出。
海洋侵蚀的主要类型是波浪作用侵蚀海蚀崖的底部。这种作用削弱岩层、侵蚀海蚀崖,直到上覆岩块失去支撑作用而塌落到海滩上为止。沿连结面或断层面,波浪也起作用,使岩块或土壤变成疏松状。此外,风携带来自碎浪的盐份进入空中拍打海蚀崖。孔隙性沉积岩吸收盐水,然后蒸发使盐结晶,这种作用削弱了岩石。海蚀崖的表层慢慢剥落掉入下部的海滩。掉到海蚀崖底部的物质堆积形成倒石堆,倒石堆是由碎石块堆积而成的。
溶解侵蚀作用主要影响石灰岩组成的海蚀崖,化学作用溶解岩石中的可溶矿物。海水溶解岩石中的灰质成分在海蚀崖上形成深凹槽(图7-8)。化学侵蚀作用也使岩石中的胶结物发生溶解,造成沉积物颗粒分离。在南太平洋的珊瑚岛和地中海及亚德里亚海的石灰岩海岸上,石灰岩的侵蚀作用随处可见。
作为海岸线标志的海蚀崖和沙丘的侵蚀作用使海岸线后退了很远的距离。在1888年和1958年期间,位于Nauset Spit和麻萨诸塞洲Cape Cad 的Highland light之间的大西洋海岸线以每年3英尺多的平均速率后退。在英国,北海萨克福马海岸的松软海蚀崖以每年10-15英尺的平均速率侵蚀。在英格兰的洛斯托夫特瓷镇,一次风暴侵蚀了一座40英尺高的海蚀崖,该海蚀崖是由约40英尺高的没有固结的岩石组成。


图7-8 波多黎各低潮时的潮坪(由C.A.Kaye提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
海滩侵蚀很难预测,而且几乎不可能停止,它取决于海岸沙丘或海蚀崖的强度、海岸风暴的密度和频率及海岸的暴露程度。因为波浪不断冲击和侵蚀人造防波堤,所以许多企图避免海滨侵蚀的做法最终都会失败。建立防波堤和海堤是为了阻止潮汐增加的极大侵蚀作用(图7-9)。为了稳定海岸,根据建设目标开发者正毁坏真正的海滩。


图7-9 密歇根湖沿岸的一系列拦水坝使泥沙发生横向运移(由P.W.Koch提供照片,得到了美国农业部土壤保持局的许可)
海蚀崖后退的速率随海岸线的形状和主要风向及潮汐作用而发生变化。纽约长岛南岸超过36英里长的海岸被认为是开发的高危险区,目前它正以每年6英尺的速率遭受侵蚀。从维吉尼亚的Cape Henry 延伸到卡罗莱纳州北部的Cape Hatteras 障壁岛从向海和向陆两侧变窄。卡罗莱纳州海岸北部剩余的部分正以每年3-6英尺的速率后退,德克萨斯州东部的大多数海岸消失得更快。在加里福尼亚州,由于海蚀崖的侵蚀作用使房屋倒塌(图7-10),造成了巨大的财产损失。



图7-10 在加里福尼亚州Montara一些陡壁上的侵蚀现象,最终造成建筑物公路和其它建筑的损坏(由R.D.Brown提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)。
美国大约80%的沙质海滨正在被波浪淹没。大多数问题是由于工程师采用稳定海滩的方法造成的。防波堤切断了流向沙滩的自然沙源,由于没有吸收大部分能量所以防波堤增加了波浪往返运动造成的侵蚀作用。回波把沙带回海洋,破坏了海滩,毁坏了防波堤保护的沿岸陆地财产。
为了保护在陡崖上眺望海洋的房屋,沿岸居民常花费巨资修建防波堤。而且,这些建筑实际上加速了防波堤前面沙滩的侵蚀作用。事实上,防波堤正在有效地保护沙滩对陡壁的毁坏。在海蚀崖底部修建的障壁岛阻止了波浪侵蚀,但是对浪花及其它的侵蚀过程没有影响。在某些季节,当防波堤前面的沙滩自然失沙时,在其它季节里波浪又会把沙搬运回来。
直到下一个冰期,自然过程才在沿东海岸的沙滩补充消失的沙。目前,沿海岸和大陆架的大多数沙都产生于哈得逊河的北部。由于沙向远处运移到加里福尼亚海岸的南部,其搬运过程可能需要数百万年。
随着沙沿海岸运移,洋流把沙带入大海湾或河口。在海平面下降之前,海湾继续充填沙,堆积的沉积物掩埋在大陆架之下。然而,在一个冰期内,沙只被运移到另一个海湾。因此,在下一个冰期,大多数海滩才储存沙子。
7.4 浪击作用
当强风吹过海水表面时,海中的巨大风暴就会产生大量波浪。沿海岸波浪破碎,能量消失,产生沿岸流,沿沙滩搬运沙粒。波浪也产生海岸侵蚀,在海岸线逐渐后退的地区造成一系列严重问题(图7-11)。



图7-11 在路易斯安娜州Grand Isle海滩造成的波浪侵蚀现象(得到了美国工程兵部队的许可)
在海岸风暴期间,大多数海滩遭受巨大波浪的侵蚀。在大湖和大海湾,大气压的突然变化使水体来回晃动产生波动。在密歇根湖中,波动十分常见,有时十分有害。飓风产生最汹涌的波涛,毁坏了整个海滩。随着波浪逐渐靠近岸边,它触及海底,传播速度变慢。波浪经过浅滩使其形态发生变化,在海滩上形成碎浪。碎浪使其能量沿海岸散失并产生海滩侵蚀。
陡峭的海滩或防波堤反射弹回的波能形成了沙坝。当波浪以与海滩呈某一角度靠近海岸时,由于折射波峰发生弯曲。当波浪通过陆地的一个端点或防波堤的顶端时,在防波堤之下产生一个循环的波形。折射波与其它入射波叠加,增加了波高。
波的陡度是波长与波高的比值,它是波形最重要的特征之一。高陡度的风暴浪具有短波长和高波高,形成波涛汹涌的海面。在海面伴随风暴的陡波使海蚀崖和沿岸沙丘遭受侵蚀作用。低陡度的涌浪一般造成沉积物向岸边搬运。因此,风暴浪把沉积物搬运到远离海岸的区域,而在两次风暴期间,涌浪又把沉积物运回岸边。
随着波浪离开风暴区,它们形成涌浪,涌浪能传播很长距离,有时在消失或终止在海岸之前,能环绕全球半圈。当波浪从风暴区向外扩散时,长周期波浪在前面运移,而短周期波浪随后而至。随着涌浪越过大洋向远岸传播,波高低、周期长的波浪先到达,而波高大、周期短波紧随其后。
从风暴中心向外扩散的波浪形成环状,类似于向平静的池塘中投掷了一块石头。随着圆圈的增大,波浪向远处扩散,使圆周增大。当波浪从风暴区向外传播时,波高增加。当涌浪到达海岸时,就会产生一系列相同的波浪,每一个波浪具有大约相同的周期和高度。当较慢的涌浪开始到来时,波浪的周期和波高会发生变化。
当波浪从深水区向海岸传播时,波浪运动会发生变化。波浪传播能量,而不是水本身在传播。当波峰到来时,漂浮在海水表面的物体首先上升并且随波峰向前运动下降到波谷,然后向回运动,因而,一个漂浮的物体描述了一个圆周运动的路径,圆周直径等于波高,在波浪通过之后,物体又返回其原来位置。
根据波浪的陡度和靠近海滩的底坡条件,当涌浪到达海岸时,就会形成各种类型的碎浪(图7-12)。如果海底坡度相对平缓(小于3度),那么波浪就会形成一种最常见类型的溢浪。这是一种陡度过高的波浪,在波峰处开始破碎,随着波浪向海滩传播继续发生破碎,为冲浪运动提供了很好的波浪。



图7-12 碎浪的类型:溢浪(顶部)、卷碎浪(中部)和涌浪(底部)。
当海底的坡度介于3~11度时就会形成卷碎浪,波峰发生卷曲,形成管状水体。随着波浪破碎,管状水流向岸底流动并搅起沉积物。卷浪是最具戏剧性的波浪,因为能量集中在波浪破碎点,所以它对海滩的破坏性最大。
当海底坡度介于11~15度时,形成崩塌碎浪。这种碎浪被限定在波浪的下半部,然而,随着波浪向岸边运动,其大多数能量反射回海滩。
在海底坡度大于15度的较陡海底形成涌浪。波浪不再破碎而是涌向滩面并返回海岸产生近岸驻波。驻波对于沿岸构造(例如沙坝、沙嘴、海蚀平台和退潮流)的形成十分重要。
7.5 海岸沉降
大地震时,由于一块地壳下降到另一块地壳之下,常常形成海岸沉降。沉积物的沉积作用增高了沿岸的低洼地带,可以预防海水的侵入。当地震发生时,这些低洼地带下沉,被海水淹没成寸草不生的潮坪。两次地震期间,沉积物充填潮坪,使之升高到植物能够再次生长。因此重复的地震产生了低地土壤和潮坪泥的交互沉积层。
在美国,地震造成的地面沉降主要发生在加里福尼亚、阿拉斯加和夏威夷。沉降是由沿断层的垂直位移产生的,这些断层影响了广大地区。在1964年3月27日发生的阿拉斯加大地震使70000多平方英里的陆地向下沉降了3英尺多,在阿拉斯加南部的海岸地区产生了强烈的洪水作用。
由海底松散渗透性沙和粉沙组成的坡度超过6%的斜坡、陆地和靠近海岸地区常常产生流动滑坡。阿拉斯加地震产生了海底滑坡,在瓦尔迪兹、威特和西沃德等地毁坏了海港设施。滑坡也产生了大规模的海啸,海啸淹没了海岸地区,造成了更多的损失和人员伤亡。
在美国非地震沉降的一些最生动的实例集中在沿岸地区(图7-13)。在德克萨斯州的休斯顿-加尔维斯顿地区的局部沉降达到了7.5英尺,在2500英里范围内沉降超过了1英尺,其主要原因是抽取地下水。在加尔维斯顿湾,随着石油从下伏地层中抽出来,在数平方英里的范围内地面下沉了3英尺多。在强海岸风暴期间,几个沿岸城镇的沉降作用增加了海侵的几率。



图7-13 缅因州波特兰北部沉没的海岸线(由J.R.Balsley提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
在加里福尼亚长海滩由于大量石油的开采造成了地面下沉,形成了25英尺深,面积约20平方英里的巨大凹陷。在油田的某些地区,陆地以每年2英尺的速率下沉。在市区,下降幅度高达6英尺,对城市的基底构造产生了严重的损害。高压作用使海水挤入了地下的储集空间,阻止了大多数地面沉降,同时也增加了油田的产量。
由于海平面上升和抽取地下水的综合作用,所以许多海岸城市下沉,造成市区下面蓄水层的压实作用。在最近的五十年,意大利的威尼斯累积下沉了约5英寸。在二十世纪,亚得里亚海已上升了约3.5英寸,造成海平面相对上升了8英寸多。在高潮期,强烈的下沉作用造成了威尼斯的海侵作用、强烈的径流作用和风暴潮。
在日本东京的东北部地区,地下水的过量开采造成了建筑物地基周围的地面沉降。在大约40平方英里的范围内,沉降速率达到了每年0.5英尺,三分之一的地区下降到海平面之下,促使修建海堤把海水挡在距市区一定距离之外。地震和台风期间,海侵洪水漫过东京,使其遭受巨大灾难,这些现象使当地政府十分烦恼。
7.6 海侵
海平面正以半个世纪以前约10倍的速率上升。在大多数温带和热带地区,海平面正以每5年1英尺的速率上升。海平面上升主要是由于近二十年来全球气候的明显变暖造成南极西部和格陵兰岛冰川的融化所形成的。流入海洋的冰河分离成冰山(图7-14),其数量和规模不断增加。在1995年3月,一块极大的冰山从南极冰川上剥离下来漂入太平洋。另外,拥有地球上大量冰的高山冰川也在不断融化。



图7-14沿南极洲海岸的巨大冰山(得到了美国海事局局的许可)

气温的升高也造成了海洋的热膨胀,增加了其体积。上个世纪,热膨胀使海平面上升了约2英寸。在近半个世纪的时间里,远离加里福尼亚南部海岸的表层水温度升高了近1℃,造成了海水膨胀,使海平面上升了约1.5英寸。全球海平面的上升改变了大陆的形状及海水淹没的障壁岛和环礁的形状。海平面每上升 1英尺,100~1000英尺的海岸线就会消失,这主要取决于海岸的坡度。
从分布于世界海岸地带验潮站的潮位精确记录可以预测海平面的变化趋势。在某些地区,例如路易斯安娜州,相对海平面每百年上升3英尺。路易斯安娜洲每年损失大约6000英亩的陆地,它们被海水淹没了。沿卡罗莱纳州北部海岸每年以4~5英尺的速率后退。较高的海平面是部分是由于在大陆架上水体的重量增加挤压陆地所形成。
在最近100年中,全球海平面已经上升了6英寸,主要是由于极地冰盖的溶化。在每个半球的冬季,沿南极洲周围海冰形成了一条冻结带(图7-15a和b),海冰覆盖了北冰洋的大部分地区。在最近100年里,整个冰表面看起来没有太大的变化。然而,冬季从极地冰盖向外延伸的最大范围已经缩小。在南半球的春季,从十月到十二月,冰盖达到最大范围,当南极冰开始融化时,北极冰开始扩大。随着海水继续变暖,冰融化接近极地,进一步减少了海冰的周长。



图7-15a 美国靠近南极帕默半岛的海岸卫士破冰船极地星号(由E.moreth提供照片,得到了美国海军的许可)



图7-15b 虚线表示南极周围海冰的正常范围
在南极的冬季(从6月~9月),海冰几乎覆盖了南极大陆周围8百万平方英里的海域,平均厚度不到3英尺。由于这个巨大的冰盖,所以南极比北极在大气和海洋循环中起了更重要的作用。在各个地区,由海岸和海洋冰间湖毁坏了海冰,上升的暖水流作用使得巨大的开放海区没有结冰。由于海岸冰间湖部分暴露,以后结冰的开阔海使结冰过程继续进行,所以海岸冰间湖就象海冰工厂一样。
随着海水温度的上升,造成冰盖融化,许多国家将会受到海平面上升的不利影响。如果以目前的速率海冰继续融化,那么到21世纪中叶,海平面将上升6英尺。大量的沿岸陆地以及浅海障壁岛和珊瑚礁将消失,位于低洼地带养活了数百万人口的肥沃三角洲也会被淹没,许多海洋生物孵化幼体的脆弱湿地也会被海水淹没。易手受海水影响的沿海城市不得不退回内陆或修建昂贵的防波堤来预防再次上升的海平面。

8 海洋财富

世界上丰富的自然资源极大地促进了人类文明。大多数这些财富来源于海洋,海洋储藏有许多人类未开发的财富。在世界海洋中贮存着未开发的石油和矿产资源,以及巨大的渔业资源,渔业生产为人类提供了一半的蛋白质需求。

海洋能够产生的能量超过了所有的化石燃料的总和,大量能源的利用能够满足未来几个世纪人类的需求。未来新的勘探区域包括大陆架和深海。改进勘探技术、提高管理水平必将持续获得海洋资源以满足未来的需要。

8.1 海洋法规

1945,美国政府根据在大陆架和扩大渔业区的杜鲁门宣言开始了国家扩张,主张海洋及其资源归其所有。像一个世纪以前对非洲殖民地的瓜分一样,其它国家紧随其后也开始了边界扩张,用类似的方式瓜分了世界海洋。1982年12月6日,119个国家签署了《联合国海洋法协定》,该宣言是一个关于海洋的章程,40%的海洋、海底及其相邻的大陆海岸、岛屿处于拥有这些区域主权的国家管理之下。其它60%的海域保留传统意义的自由公海。

表8-1 未来的一些自然资源

常用资源名称

未来的消耗量

可采储量*

资源量

250

800

200

3000

225

400

100

400

65

250

65

160

40

270

石油

35

80

*可采储量是指目前开采技术条件下可获得的资源量
事实上,海底或大约40%的地表的剩余财富是人类共同的财产。该协定把那些财产置于国际海底权威机构管理之下,具有产生收益、征税和在海洋开发技术方面的领土权利。该协定也提供了一个全面的全球保护海洋环境的框架、海洋科学研究的新组织和解决世界争端的综合法律体系。它确定了用于国际航海活动和通过海峡自由通道的航海自由权,在任何情况下都不能剥夺该权利。从本质上来说,海洋法提供了一个新秩序,更能反映世界的真正需求。
沿海国家拥有12英里的领海范围和12英里的毗邻区。在这些界限之外,每个国家拥有200英里的经济区(图8-1),包括捕鱼权和拥有所有资源的权利。如果大陆架延伸超过了200英里,有关海底资源的经济区可以延伸到350英里。经济区的概念也描述了历史上最大的领土掠夺,给沿海国家不平等的利益超过了陆地所包围的国家,增加了这些国家之间的不平等。



图8-1 世界海洋资源区
1983年3月,由于美国宣布离岸200英里的海域作为美国的专属经济区(EEC),使得美国增加了300多万平方英里的海洋国土,该区域比美国陆地国土稍大一些。1984年,为了未来的石油和矿产资源,在美国专属经济区英国的Farnella号海洋调查船开始了六年的海底综合调查计划。这些图件揭示了用于小比例研究可能忽略的特征。沿西海岸有十二座新发现的海山和地震断层。在墨西哥湾西边是圈闭油气的盐丘构造、海底滑坡和海底峡谷。此外,类似在深太平洋中发现的沙丘原野一样,位于墨西哥湾水下10000英尺深处有一片巨大的沙丘原野。美国的调查船Samuel P Lee(图8-2)在白岭海进行了同样的调查来勘探油气。



图8-2 调查船Samuel P Lee 在太平洋和阿拉斯加海域进行地球物理勘探(得到了美国地质勘探局的许可)
1988年9月,当美国海军潜艇Sea Cliff号沿距俄勒冈海岸大约125英里的大洋中脊扩张中心(称为戈达中脊)潜水时,它发现了在一大片热泉周围有奇异的、生机勃勃的生物群落。在其它扩张中心也发现了类似的热泉绿洲,此处,随着两块相邻的大陆板块的分离,熔融的岩石从地幔中上升形成新洋壳。然而,这是在美国专属经济区内第一次发现热液喷发系统。而且,该处可能是像锰和钴这样用于高硬度钢的战略矿石来源。当热水与海底接近结冰的水混合时,高达400ºC的热液水常携带溶解矿物在海底形成沉积。
在全世界海洋任何地方重要能源的发现都可能引起最靠近海岸国家或岛国的声明,即使资源的位置超过了其国家领土范围也不例外。由于潜在的石油资源,在南中国海半淹没的珊瑚礁就产生了这样的争端。对大洋中脊矿石沉积所有权的争夺已经减少了西方工业国家之间的共同利益,把未来海底采矿和锰结核以及其它金属矿石的冶炼留给了许多亚洲国家,包括日本、中国、南朝鲜和印度,这些国家需要这些资源以降低它们对外国原材料的依靠。
国家领海的扩大也限制了海洋科学研究的自由(图8-3)。按照目前的法律,其它国家必须得到沿岸国家的许可才能进行海洋研究,而这些地区过去曾经对所有国家开放。假定科研计划是海洋法鼓励研究的项目,那么控制该海域的沿岸国家反对进行这样的科研计划,也可能破坏这些国家之间的合作气氛。



图8-3 Paul LangevinⅢ 号海底钻探船用于获取胡安德夫卡大洋中脊的岩芯(得到了美国地质勘探局的许可)
8.2 油气
在现有的经济条件下,位于海平面之下的所有矿产资源只有在沿岸浅水区域的油气田可以带来巨大的经济价值。石油为世界提供了近一半的能源,大约20%的石油和5%的天然气产量来自海洋。未来大约一半的石油将来源于海底。不幸的是,每年高达200万吨的海洋石油泄漏到海洋中。当为了满足社会需求增加产量时,这种海洋污染将成为巨大的环境问题。
在过去的二十年里,浅海的海洋油气钻探具有十分可观的利润。海洋石油钻探开始于二十世纪六十年代中期,在1973年阿拉伯石油禁运之后的十年,钻探工作迅速增加,当时美国的汽车司机们在加油站排起了长队。例如在阿拉斯加北斜坡的普拉德霍湾(图8-4)和远离英国北海新的重要发现导致了大规模的海上石油勘探,以寻找新的海上石油储量。



图8-4 靠近阿拉斯加瓦尔迪滋终点的输油管线的油轮把北部斜坡的石油运到下游的48个州(得到了美国海事局的许可)
对能源自主的渴望鼓励石油公司在深海进行石油勘探。在深海石油勘探中,他们遇到了许多困难,包括海洋风暴、人员和设备丢失。这些困难和问题不可能产生较多的新发现。未来的计划是在海底安装钻探设备和工作间,使勘探员在海底不会受风暴影响。这将第一次可能探明一些深海油气田。
油气储层的形成需要一系列特殊的地质条件,包括烃源岩、做为储层的孔隙性岩石和圈闭油气的构造。烃源岩是有机碳保存在细粒、富碳的沉积物中。砂岩和石灰岩这些孔隙性、渗透性的沉积岩可以形成储层。沉积岩层的褶皱作用和断裂作用形成的地质构造可以圈闭并储存油气。石油常与厚层的盐有关,因为盐岩比上覆沉积层的重量轻,所以盐能够上升到地表形成盐丘构造,有利于圈闭油气。
生成石油的有机质来源于微生物,这些微生物主要生活在海水表层,并聚集在海底的细粒物质中。有机质向石油的转化要求高堆积速率或在底水中低含氧量,埋在沉积层之下以前避免有机质遭受氧化,氧化作用会使有机质腐烂。因此,富含有机质的高沉积速率地区是最有利于含油岩石形成的场所。在沉积盆地中,深埋藏使处于高温、高压之下的有机质的温度进一步升高并使其发生化学变化。结果,在地球内部热能作用下,有机质裂解为碳氢化合物。如果碳氢化合物过成熟,那么就会形成天然气。
在沉积物中储存的碳氢化合物挥发性物质与海水一起通过渗透性岩层向上运移,聚集在沉积构造形成的圈闭中,这些圈闭阻碍了流体的进一步运移。在缺失盖层的情况下,挥发性组分会继续向地表运移并通过自然渗漏运移到海洋中,估计每年大约有150万桶石油自然渗漏到海洋中(该数量与每年由于事故泄露到海洋中大约2500万桶的石油相比是微小的)(图8-5)。在沉积盆地中,石油的形成主要取决于温度和压力条件,需要数千万年到数亿年的时间。



图8-5 1976年12月19日,Argo Merchant石油泄露到曼切斯特的南塔克特(得到了美国海洋及大气管理局的许可)
位于远离德克萨斯和路易斯安那湾岸之下海水中充满热气的储层称为经受地应力的高压沉积,这些储层是天然气和地热能的混合物。气体沉积形成于数百万年前,当时海水渗到两套不渗透泥岩层之间的孔隙性砂层中。海水从下面获得能量并溶解了腐烂有机质产生的甲烷气。随着更多的沉积物聚集在该层顶部,热气充满海水变成高压海水。钻入该层的钻井能够开采地热能和天然气,提供的能源储量相当于美国所有煤层的三分之一。
海底地质学决定了是否存在圈闭油气的条件,这些有助于石油公司的勘探活动。石油勘探是从寻找连通含油圈闭的沉积构造开始的。通过利用空气枪爆炸产生类似于声波的地震波和拖在船尾的检波器,地震勘探可以描述这些构造(图8-6)。从各类沉积层的地震波反射和折射提供了一张洋壳的地质扫描图。



图8-6 洋壳的地震勘探
选择好合适的井位后,石油公司运来钻井平台,把钻井平台竖在浅海海底或在深海底部采用自动漂浮装置(图8-7)。当钻穿底部沉积层时,工人们开始下套管避免井壁崩塌,并起到输油管道的作用。预防井喷装置放在油层的顶部避免一旦钻头钻穿盖层,在巨大的压力作用下发生的井喷。如果油井成功,那么就可以在该地区钻其它井完成油田开发任务。



图8-7在大西洋中部外陆架半潜式的钻探设备(得到了美国地质勘探局的许可)
8.3矿产沉积
热液沉积形成的热液矿石与海底的火山活动带有关,包括产生新洋壳的大洋中脊和位于老洋壳消亡的俯冲带边缘的岛弧。热液沉积出现在沿主要大洋活动扩张中心的年轻海底以及裂开形成新海洋的区域,例如红海、阿发尔裂谷和亚丁湾(图8-8)。另外,深海钻探已经揭示了远离现代扩张中心较老海底的相同沉积物,表明该过程是在地质历史时期造成金属沉积遍布于主要大洋的原因。



图8-8 红海和亚丁湾的位置
包含铜、锌、金和银的富含金属矿石隐藏在大洋中部裂谷中。通过从热液矿泉中排出富含硅和金属的热水溶液中矿物沉淀作用形成了热液沉积。硅和其它矿物形成了巨大的烟囱,从这些烟囱中浓浓的液体黑云(黑烟)翻滚而出。富含金属的颗粒从流出物中沉淀出来充填了海底凹陷,最终形成矿体。
在海底深处20-30英里的地幔中形成了对热液系统有巨大贡献的矿物。从地幔上涌的岩浆穿过洋壳为扩张中心提供了新物质。渗入海底玄武岩裂隙的海水穿透靠近岩浆房的地壳下部,在此处,海水在一年轻高裂隙的岩石中循环并被加热到摄氏数百度。
在数百个大气压力作用下,热水不沸腾,溶解了从玄武岩而来的硅和矿物,这些物质是通过对流和海底裂隙呈溶液状态渗漏到地表的(图8-9)。此外,直接从地幔得到的富铁流体和来自地幔的挥发性元素也和热液水一起运到地表。当富含金属的热液从喷口进入冷的、富含氧气的海水时,像铁和锰这样的金属被氧化并与硅一起沉积下来。在大西洋中脊的一些沉积物中含有35%的锰,锰是用于制造合金钢的一种重要金属。




图8-9 在海底的热液出口的景观
热液沉积一般缺少铜、镍、钴、铅和锌,因为这些元素在溶液中保留的时间比铁和锰保留的时间长。在富氧条件下,那些不流动的盐水池,铜和锌与铁和锰一起浓缩。在红海产生了这些沉积,在红海铜和锌的浓度达到了矿石级,足以进行经济开采。
另一类矿石沉积出现于蛇绿岩中,蛇绿岩是由大陆碰撞抬升了的并且暴露在陆地上的古代洋壳的碎片。基底洋壳由上部的海洋沉积物、枕状熔岩(海底喷出玄武岩)和暗色、致密的、可能来源于上地幔的超基性(富含铁镁)岩组成。金属矿石沉积在沉积层的底部,位于玄武岩之上。
蛇绿岩沉积遍布于世界许多地方(图8-10)。它们包括一亿年之前形成的橄榄岩复合体,暴露于意大利北部的亚丁山脉、西藏南部喜马拉雅山脉的北缘、俄国的乌拉尔山脉、地中海东部(包括塞浦路斯)、非洲东北部的阿发沙漠、南美的安第斯山脉,在西太平洋岛屿,诸如菲律宾、纽芬兰的最北部和沿加利福尼亚中部的大苏尔海岸的Point Sol也有出露。



图8-10 海底热泉形成的矿床沉积位置图
大量的硫化物是在大洋扩张中心形成的金属矿床沉积。沉积矿床含有铁、铜、铅和锌的硫化物,存在于大多数蛇绿岩复合体中,由于它们是富含金属的矿石,所以在世界各地开采。海底之下的循环海水获得硫酸根离子变成强酸性的,该反应加快了硫与从玄武岩中渗滤的以及从热液溶液中浓缩的某些金属的结合,最终形成不溶硫化物。
在海底热液系统沉积的金属硫化物形成了大块结核(图8-11a和b)。当在海底蛇绿岩中含有其它物质或矿脉时,也会产生大块结核(图8-12)。另一种沉积只有在中脊轴靠近大陆时才形成,陆地是大量侵蚀碎屑的物源区。大量的硫化物矿体位于沉积层的中间,一般是细粒粘土形成的页岩。对于现代工业十分紧缺的一些世界上最重要的铜、铅、锌、铬、镍和铂等沉积主要形成于海底数英里之下,在大陆碰撞期间它们会仰冲到干旱的陆地之上。



图8-11 a 在胡安德夫卡中脊上的风化硫化物矿床(得到了美国地质勘探局的许可)



图8-11 b 由热液流体形成的大规模硫化物沉积




图8-12 在蛇绿岩中形成的富含金属的大块硫化物矿脉(得到了美国地质勘探局的许可)
矿石沉积也与热盐水有关,热盐水是由缓慢扩张中心(例如把红海一分为二)造成新洋盆扩张作用产生的。沿扩张区域,热的、富含金属的盐水充满盆地。由于冷的、密度大的海水穿透埋在地壳中的厚层岩盐(氯化钠),所以它向下渗透穿过岩浆岩成为奇特的盐。在几乎封闭的盆地中,在干旱的气候条件下,当蒸发量大于海水的注入量时就会形成这些岩层。
当盐度达到饱和点时,盐从溶液中结晶并沉积在海底,堆积成厚层沉积。通过这些岩层的循环,高盐度的热溶液增加了它们搬运溶解金属的能力,在岩层中与氯元素结合成化合物。当它们从盆地底部排出时,加热的溶液形成热盐水。金属从热盐水中沉淀并沉降在盆地中,在某些地方形成了6英里厚的含金属沉积物的层状沉积。
在海底最有前景的矿物沉积是锰结核(图8-13),它是水成沉积,名字来源于希腊语,意思是“水成的”,在海底,它是由从海水中直接析出的金属元素缓慢堆积而形成的。海水中含有金属,如铁和锰,在溶液中,按重量计算浓度不到百万分之一。金属元素从河流和通过海底的热液出口进入海洋,河流搬运大陆上岩石风化和分解作用产生的矿物,海底从地壳之下活动的火山带获得矿物。



图8-13 在马绍尔群岛Sylvania平顶海山4300英尺深处的锰结核(由K.O.Emery提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
在碱性、富氧环境中(例如海水),大多数金属元素有一定的溶解度。溶解的金属(例如铁和锰)被海水中的氧气氧化形成了不溶氧化物和氢氧化物,然后,这些金属沉积在海底,呈微小颗粒或片状或硬壳覆盖在海底之上的固体物质。生物也从海水中吸收一定的金属,当这些生物死后,它们的遗体沉在海底,金属与海底沉积物混合在一起。
含水沉积物的增长速率一般不到1英寸/千万年。大多数海底固结物(例如锰结核)主要产生在远离大陆边缘和活动火山扩张中脊的深海静水环境中,此处,稳定的粘土雨和其它矿物颗粒使金属没有生长成浓缩的沉积物。在盆地中产生的沉积接收了非常少量的沉积物流入物并覆盖在其上。沉积区包括深海平原和海底抬升的区域,例如海山和孤立的浅滩。
锰结核环绕小的、固体质点或颗粒生长,例如,一小粒沙、一片贝壳或一小块鲨鱼的牙齿。质点起了催化作用,使金属以类似珍珠生长一样围绕质点生长。同心层堆积到结核大小,像土豆一样,在海底呈大鹅卵石。
1吨锰结核含有约600英镑的锰,29英镑的镍,26英镑的铜和7英镑的钴。然而,当这些结核位于4英里深处时,大规模开采就十分困难。大约100平方码的海底渗漏液能够得到1吨的结核。一种开采方法是利用挖掘机铲起结核,另外一种方法是使用一台巨大的吸尘器吸结核。一种更奇特的计划是利用电视指导的机器人捡结核,然后粉碎成泥浆抽到地面。
8.4 海洋能
世界海洋是一个巨大的太阳能贮存器。每天,三千万平方英里的热带海域吸收了相当于2500亿桶的石油,超过了世界石油可采储量。如果只有一小部分能量转化为电能,就会极大地增强世界未来的能源供应。储存在热带表层海水中不到千分之一的热能转化率就会产生大约1500兆瓦的电能,或许超过了目前美国发电能力的20倍。
海洋热能转化器或海洋热能转换系统(图8-14),采用了表层海水和深层海水之间的温度差。只要在表层温水和深层冷水之间存在巨大的温差,就会产生足够的电能。在一个密闭循环的海洋热能转换系统中,温暖的海水蒸发产生一驱动流,它像氟利昂或氨水一样具有非常低的沸点。在密闭系统中,工作液体就像氟利昂在冰箱中一样连续循环。



图8-14 在夏威夷的国家可再生能源实验室中的海洋能计划(得到了美国能源部的许可)
在一个开放的海洋热能转换循环系统中(也被称为克劳德循环,它是由法国生物物理学家乔治克劳德发明的),工作流体是一连续变化的海水。在真空室里,温暖的海水沸腾,真空室大大降低了海水的沸点。在干旱地区,该系统还能把淡化海水用于农田灌溉。在这两个系统中,产生的蒸汽驱动涡轮发电。从2000-3000英尺深处抽上来的冷水使气体冷凝成液体完成循环。
富营养化的冷水也能够用于海水养殖,提高渔业经济价值,并且用于周围建筑物的致冷和空调。发电厂可以位于岸边、滨外或在海中可移动的平台上。电能提供给一实际的输电线路网或被用在合成替代燃料(例如甲醇和氢气)上,用于冶炼从海底采出的金属矿石或用于制造肥料的氨水。
开放的循环系统比封闭的循环系统有许多优点。由于利用海水做为工作流体,所以它消除了有毒物质污染海洋环境的可能性。开放的热交换系统比封闭的热交换系统更便宜、更有效。因此,开放循环式发电厂能更有效地把海洋热能转化为电能,造价更低。
在海岸带,大浪破碎是海浪产生大量能量的生动实例。岩石风化海岸的潮间带单位面积接收的能量比来自太阳的能量还要多。由从远处风暴形成的暴风吹过大面积的开阔海形成波浪。特别是跟涨潮和退潮叠加在一起时,靠近海岸的当地风暴产生了最强的波浪。许多水电项目已开发利用了这种丰富的能量,这种能量是经济和有效的。在波能发电机(图8-15)的底部碎波把底部室内的空气挤压使它进入垂直塔中,压缩空气使涡轮旋转驱动发电机。


图8-15 在挪威Bergen 岩石海岸挪威人利用波能发电的情况
在世界各地大多数地方,沿海岸的海湾和港湾的潮汐超过了12英尺,称为怒潮。这种潮汐主要取决于海湾和河口的形状,它引导潮汐沿河道前进,增加了其振幅。在某些海湾,特大潮的产生是由于在潮汐盆地中潮汐集中和共振影响的合成。随着潮水流人狭窄河道,潮水运动压缩并增加了潮高。
利用潮汐能发电涉及用坝把海湾围起来,让其在高潮时充满水,然后,当有足够的水流驱动涡轮机时(图8-16),在最大潮时关闭泄洪闸门。许多怒潮的位置也经历了强潮流,进潮和退潮时的海水被用于驱动涡轮机发电。


图8-16 拉兰斯潮汐水力发电站的横剖面图
8.5 收获海洋
由于捕捞过度,世界渔业面临崩溃的危险。世界上许多地方过去曾经是十分丰富的各种鱼类下降十分迅速。这种威胁是由环境条件变动造成资源收获率以恒定速率下滑产生的,使得捕鱼量大规模下降。捕捞结果也转向较小的鱼种,甚至在同样种属内鱼的平均大小也变得越来越小。
过度捕捞使低于竞争的需求水平的生物数量调整到期望的生物密度。因此,在过度开发情况下,快速而大量繁殖后代的种属具有相对的优势。这些变化的程度是由于鱼群的迁移、商业捕鱼模式的变化或环境的影响等不确定原因造成的。显而易见,如果目前的趋势继续发展下去,那么世界的渔业就会更小,并且增加的鱼类达不到希望的种群。世界上每年的捕鱼量大约是一亿吨,而太平洋的西北部和大西洋的东北部的渔业产量几乎占世界渔业总产量的一半。过度捕捞肉质鱼造成的产量显著下降是由增加所谓的“无价值”鱼以及其它小鱼产量来补偿的。大量食肉鱼的大规模迁移可能使其它鱼种每年的产量增加数百万吨。然而,这种捕捞最终由赤道以北地区占优势的小鱼组成,赤道以北地区鱼量更易发生变化,而且比热带地区鱼量的变化更加不可预测。
世界渔业的许多变化是由于鱼类强烈的季节性行为模式以及气候的明显差异和其它季节变化等环境条件造成的。气候通过改变海洋表面的温度、全球水循环模式、上升流、盐度、pH平衡、涡旋、风暴和海冰分布等影响渔业,所有这些因素影响了海洋的初级生产力。气候条件也造成了生物分布的迁移和生物多样性及数量的减少。
为了补偿海洋渔业的不足,采取提高海洋生物的商业种类以满足人类的消费。通过水产养殖提高小虾、龙虾、鳝鱼和大麻哈鱼的产量,所占比例不到世界每年海产品收获量的2%。但是,据估计它们的总经济价值在5~10倍还要多。水产业和海洋生物养殖业的发展有助于满足世界日益增加的食物需求。中国领导了世界潮流,有两千五百多万英亩的运河、池塘、水库和自然湖泊及人工湖用于水产养殖。
也可以通过种植海藻和海菜来满足世界食物需求,海草和海藻已经成为富含维生素食物的重要来源。日本获得了约20种可食的海菜,并且每周每人消费大约一磅干海藻作为开胃的食物或甜食;它们正在成为世界上海洋植物生产的先驱。海菜是野生的,许多种类也可以人工栽培。当海藻在可控条件下生长时,能够快速繁殖并生产大量植物原料用于食品工业。
每过几天海藻就可以被收获一次。然而在陆地上从种植到收获农作物的生长需要2~3个月。每年一英亩的海底能生产30吨海藻,可以与陆地上平均每英亩1吨小麦的产量相比较。海藻可以人工制成像肉或蔬菜一样的食品并且具有丰富的营养。海洋农场是无限富饶的,只要人类不要把海洋农场变成像陆地上荒漠那样,在未来它能够满足人类对蛋白质的需求。

表8-2 海洋生产力                                                   

位置

初级生产力(每年有机碳的吨数)

百分比(%)

可捕鱼总产量[每年鲜鱼的产量(吨)]

百分比(%)

大洋

163亿

81.5

16万

0.07

沿海岸

36亿

18.0

1.2亿

49.97

上升流区域

1亿

0.5

1.2亿

49.97

总产量

200亿

 

2.4016亿

 

 

9 海洋生物

没有海洋生物的观察就没有完成海洋勘探。热带雨林中生命的繁殖是海底生物的延续(图9-1)。地球上一些最奇异的动物生活在深海底,那些可以追溯数亿年的最原始的生物物种存在于海底。海底是一奇特的世界,它由许多高大的烟囱组成,富含矿物质的热液从高烟囱中喷出,维持了世界上不寻常生物的多样性,这些生物生活在黑暗的深海中,与海洋中其它地方发现的生物迥然不同。



图9-1在远离加里福尼亚圣地亚哥的Loma大型褐藻海底100英尺深处的海洋生物(由R.Outwater提供照片,得到了美国海军的许可)

9.1海洋生物多样性
在海洋生物的聚集和分布过程中,海水起了重要的作用。海洋生物的多样性受海流、温度、季节性波动特征、营养物质的分布、生产力模式和许多对生物体十分重要的其它因素的影响,大多数海洋生物生活在大陆架或岛屿的浅水部分和水深不超过600英尺的地下隆起区(图9-2)。浅海环境的生态也随着离岸的远近而发生变化,这些特征影响了生物的进化发展。最丰富的动物群位于低纬度的热带地区,那里聚集了大量独特的高级生物种属。



图9-2大陆架动物群的分布
向高纬度地区,海洋生物的多样性逐渐降低,直到两极海区海洋生物的种类不到热带地区的十分之一,而且,在北冰洋出现了两倍的生物多样性,北冰洋被大陆所环绕,就象南大洋被南极大陆所环绕一样,生物种类的多样性主要取决于是否有稳定的食物供给。由于在高纬度地区季节变化更显著,所以食物生产比低纬度地区波动明显,生物多样性也受到季节变化的影响,它随着海水表面和影响营养物质供应的上升流的变化而发生变化,造成了海洋生产力发生巨大的波动。
最大的生物多样性出现在远离小岛或在大洋中小型陆地的海岸。营养物质的波动至少受陆地季节性的影响。最小的生物多样性远离大陆,尤其是当它们临近小的海洋时,浅水海域季节性变化是最大的,生物的多样性也随远离大陆的距离而增加。在十九世纪三十年代(图9-3),查理斯·达尔文调查加拉帕哥斯群岛期间,他注意到生活在岛屿上的动物的主要变化,并与相邻大陆生物的亲缘关系进行了对比。



图9-3达尔文大规模环绕世界调查的路线图
生物多样性主要依赖于食物源的稳定程度,而食物源的稳定性主要取决于大陆的形状、内陆海的范围和海岸山脉的存在。大陆台地是十分重要的,因为广阔的浅海不仅提供了浅海动物的栖息地,而且这种区域适合于季节性气候变化,并使当地环境更适合生物的生长。
在不同海域或在同一海域的另一边生活的海洋生物独立地进化,即使沿着连续的海岸线,也会产生种属上的巨大变化。一般来说,这种变化对应气候变化,因为纬度和气候变化产生了浅海生物的界线。海底的深度为浅海生物的分布提供了另外一种巨大的障碍,而且,对于海洋生物的迁移来说,大洋中脊形成了一系列屏障。
这些屏障把海洋动物分为30多个独立的“省”。通常,在每个省仅有一些常见的种属生存。浅海海洋动物表明过去在单一省内的生物种类是目前的10倍多。这样单一省的条件产生于2亿年前,此时只有一个泛大陆和一个泛大洋。
因为印度—太平洋省有长长的火山岛弧链,所以它是所有海洋省中最宽的和最具生物多样性的地区。当长长岛链在同样的气候带中呈东西向展布时,它们呈高生物多样性,动物分布范围广,这些动物会从这些区域向相邻的热带大陆架和岛屿迁移。然而,东太平洋海隆却把大量的热带生物从美国西海岸隔离开,有效地阻止了浅海生物的迁移。
生物的多样性主要取决于食物的供给。浮游植物(指个体小、简单的生物)的光合作用占了海洋光合作用总量的95%以上,它们在海洋生态方面起了重要的作用,分布于地球表面的70%的范围内。在海洋食物链中,浮游植物占了重要的位置,它们也生产了80%的可呼吸氧并调节了影响全球气候的CO2含量。
根据悬浮物质(例如,浮游植物、粉沙和污染物质)的特征和数量,海洋表层水的颜色变化十分明显。在开阔海,生物数量低,海水呈深蓝色。在温带沿海区域,生物量高,海水呈绿色,北大西洋温暖的海水富含浮游植物,所以呈绿色。
远离陆地海岸靠近赤道的上升流是重要的底部营养源,例如,硝酸盐、磷酸盐和氧。上升流把富含营养的冷水分散到世界各地。尽管只占海洋的1%,但占约40%的海洋生物生产力养活了丰富的浮游植物和其它海洋生物。位于海洋食物链最底层的那些微小生物被食肉动物吃掉,食肉动物被食物链中大量更高层次的动物捕食(图9-4)。对于捕捞业而言,富含浮游植物的海区具有十分重要的经济价值。



图9-4 海洋生物链从最简单的浮游生物到最顶层的食肉动物

9.2 海洋生物种类
最原始的海洋生物是海绵。最早的海绵十分巨大,宽十几英尺,在海底呈灌木丛状生长。海绵体由三层弱组织构成,如果从主体上分离,其细胞能够独立存活。如果一个海绵被切开,它会长成一个新海绵。某些种群具有坚硬的内部骨骼,由钙和硅组成骨针。大量的海绵和其它生物(如硅藻属)从海水中吸收硅形成其骨骼,这就解释了海水中硅矿物被消耗的原因。
腔肠动物(包括珊瑚、海葵、海鳃类和水母)是海洋生物中最丰富的(图9-5)。大多数腔肠动物呈对称放射状,它们从中轴向四周辐射,具有由触角包围的带嘴的囊。珊瑚具有大量的骨骼,形成了厚层的珊瑚礁。大约5亿年前珊瑚开始造礁,沿大陆海岸线形成岛链和障壁礁。



图9-5 在南极洲Mu Murdo海峡冰盖之下的盔状水母(由W.R.Curtsinger提供照片,得到了美国海军的许可)

表9-1 生物分类

类别

特征

地质时期

原生动物

单细胞生物,包括有孔虫和放射虫

前寒武纪至今

海绵动物

海绵,大约有3000种

元古代至今

腔肠动物

由三层细胞构成组织,约有10000种生物,包括水母、水螅和珊瑚

寒武纪至今

苔藓动物

苔藓动物,约有3000种

奥陶纪至今

腕足动物

具有两个不对称的壳,约120种

奥陶纪至今

软体动物

直的、卷曲的或两个对称壳,约7000种,包括蜗牛、蛤、鱿鱼、菊石

寒武纪至今

环节动物

具有发达的内脏器官,身体分节,约7000种,包括蠕虫和滤食性动物

寒武纪至今

节肢动物

最大的生物门类,已知的种类超过一百万种,包括昆虫、蜘蛛、虾、龙虾、螃蟹和三叶虫

寒武纪至今

棘皮动物

具有对称放射状的底栖生物。约5000种,包括海星、海参、海胆和海百合

寒武纪至今

脊椎动物

具有脊柱和内骨架,约70000种,包括鱼、两栖动物、爬行动物、鸟类和哺乳动物

奥陶纪至今

苔藓动物类似于珊瑚,由微小个体组成小群体,宽数英寸,在海底形成苔藓状。像珊瑚一样,苔藓虫也可以伸缩自如,象装在钙质瓶中一样,当危险来临时,它会缩回去以求得安全。水螅型珊瑚虫具有一圈纤毛触角,在嘴的周围形成一个网,用于过滤漂浮的微小食物颗粒。
棘皮动物(其名称的意思是带刺的皮肤)或许是最奇特的海洋生物。在较复杂的生物中,它们是唯一具有5个放射状臂的生物,它们是唯一具有内部小槽构成的水管系统动物,这些水管系统驱动一系列管足或用于移动、进食和呼吸。事实表明,大多数棘皮动物比现存的或绝灭的生物门类具有更高级的器官。由于它们像植物,所以现存的棘皮动物主要种类(如海星(图9-6)、海胆、海参、海百合类)被称为海百合。



图9-6 远离加里福尼亚圣地亚哥Point Loma的海星(由R.Outmater提供照片,得到美国海军的许可)
由于蜿足类像原始的油灯,所以也被称为灯壳,它们曾经是最丰富的和最具生物多样性的海洋生物,其形状类似于蛤,具有两个铰合在一起的碟形壳体,它们利用简单的肌肉进行开合。更先进的种类称为有铰纲,它们具有沿某一个轴灵活铰合的带棱纹的壳。腕足类固着在海底,有像根一样的附肢,通过张开壳体过滤食物颗粒,当两个上壳关闭时可以保护生物免受食肉动物的侵袭。
软体动物包含多种不同的海洋动物种类,很难找到各种动物之间的共同特征。三种主要的种群是蜗牛、蛤和头足类,头足类(包括鱿鱼、乌贼、章鱼和鹦鹉螺)在海洋中通过喷气行进,它们通过张开头每一侧的开口把水吸入圆柱形腔内,在压力的作用下通过漏斗状的附肢排出体外。
因为鹦鹉螺(图9-7)是菊石类唯一现存的一种动物,所以常称它为“活化石”,它生活在南太平洋和印度洋2000英尺深处。章鱼也生活在深海,但它们几乎是完全不同的生物,因为章鱼是唯一血液中含铜的生物,而其它生物血液中含铁。



图9-7 鹦鹉螺是现存唯一的菊石后代

节肢动物是生物中最大的门类,约有一百万种,占已知生物总量的80%。节肢动物的躯体是分节的,成对的,有接缝的翼一般大多数出现在分节处,用于改进感觉、进食、步行和繁殖。甲壳动物主要是水生动物,包括小虾、龙虾、螃蟹和藤壶。
鱼类组成了一半多的脊椎动物,包括无颚鱼(七鳃鳗和八目鳗类鱼)、软骨鱼(鲨鱼、鹞鱼和银鲛等)和多骨鱼(鲑鱼、旗鱼、小棱鱼和鲈鱼)。有鳍鱼类是目前为止最大的鱼种。鲨鱼已经生存了4亿年,它们主要捕食有病的和负伤的鱼,因而有助于保持海洋健康。与鲨鱼关系最密切的是 ,其肺部鳍长成翅膀,使它们在海水中自由地“飞翔”。
9.3深海生物
过去曾经认为开阔海的深水中是没有生命的荒漠。在十九世纪七十年代,英国的海洋调查船挑战者号在深海捕捞时,捞到了大量深海底栖生物,即使在最深的海沟也捕捞到大量的生物,包括对于科学来说从未认识到的数百种生物。这次捕捞了一些由自然选择而适应深海冷的、黑暗环境的最奇特生物,以及一些被认为绝灭了的种属。
一百年后,在4英里深处完全黑暗的环境中发现一群巨大的、敏捷的生物。过去认为这种深度主要存在个体小、脆弱的生物,例如海绵、蠕虫和蜗牛,它们主要以上层海水中死亡的生物碎屑为食物。事实上,大多数深海底存在有许多食腐动物,包括非常好斗的蠕虫、大型甲壳类、章鱼和大量的鱼类。
许多生物的巨大个体是由于有丰富的食物、较低的竞争力和缺少幼体,在其成熟后,在下沉到较深水之前生活在浅水中。来自低纬度深海大量的鱼类与较高纬度的浅海生物有关。某些北极鱼类可能代表了在远离大陆边缘、冷的深海中的生物种类。
过去曾认为腔棘鱼与恐龙和菊石一起绝灭了(图9-8),但是在1938年再度出现了,当时,在远离印度洋靠近马达加斯加科摩罗岛屿的深冷水中,渔民捕到了5英尺长的腔棘鱼。该鱼看起来十分古老,从远古来看没有什么价值,长着肥胖的尾巴,腮的后面长有巨大的前鳍,方口中长满利牙,披重甲。结实的鳍使鱼能沿深海底爬行,以同样的方式,其祖先爬出大海移居到陆地。



图9-8 与4.6亿年以前的祖先相比,现存的腔棘鱼没有发生明显的变化。
生活在全球海洋中最古老的种属在冷水中繁盛。许多北极的生物(包括某些蜿足类、海星和双壳类)的生长范围可以追溯数亿年。被称为鲸类的70种海洋哺乳动物是适应性最强的动物,包括鼠海豚和鲸鱼,它们需要在极地寒冷的水中花费许多时间觅食。
南极海区是地球上最冷的海域(图9-9),过去曾认为没有什么生物,但是在1899年,到最南端大陆的英国探险队发现了过去未曾见过的鱼类,1000多种鱼生活在南极,约占该区鱼类的三分之一。这些鱼生活在冷水中,靠它们体内类似防冻剂一样的化学物质使它们在寒冷的南极冬季不被冻死。


图9-9在南极Mc Murdo Sound底部发现的海洋生物景观(由W.R.Curtsinger提供照片,得到了美国海军的许可)
环南极洋海流把南极海域从海洋基本环流中隔开,作为一隔挡层,阻止暖水鱼类流入以及南极鱼的流出。而且,由于南极海十分寒冷和低生产力,所以南极海域的生物多样性比北极海域低,北极海域的生物是南极海域生物的2倍。1983在远离巴哈马群岛的海域Sunithsonian协会的生物学家利用深海潜艇有一重大发现,在大约900英尺深的未知海山上生活着全新的海藻,它比过去已知的海洋植物都要深,比微生物大。这些海藻是由大量具有独特构造的紫海藻组成,由厚厚的钙质水平壁和非常薄的上下壁组成。由于大多数表面暴露在微弱的阳光中,所以这些细胞在其顶上生长,像食品店里堆放的罐头一样。该发现拓宽了我们对海藻在海洋生产力、海洋生物链、沉积过程和建礁方面所起作用的理解。
9.4珊瑚礁
珊瑚礁是热带地区最古老的生态系统和重要的陆地建造者,形成了完整的岛屿并改变了大陆海岸线。在地质历史时期,珊瑚形成了大量的石灰岩礁,这些礁限定在清澈、温暖、阳光充足的热带海洋中,例如分布在印度洋至太平洋和大西洋西部(图9-10)。数百个礁组成了环状珊瑚岛,在太平洋封闭了一个中央泻湖。岛屿由数千英尺宽的礁组成,许多礁形成于消失在海面之下的古火山锥上。



图9-10 珊瑚礁的范围
珊瑚礁环境比任何其它栖息地能容纳更多的植物和动物,珊瑚礁的快速增长关键在于珊瑚独特的生物学特征,这些特征在珊瑚的构造、生态和礁群落营养循环方面起了很重要的作用。珊瑚礁环境具有最高的光合作用速率、固氮作用和石灰岩沉积作用。珊瑚群体的最显著特征是它们有能力建造巨大的钙质骨架,每个重达数百吨。
珊瑚虫(图9-11)是软体、可收缩的生物,具有一圈有毒的触角,呈张嘴状。珊瑚虫生活在一个称为囊的独立骨杯中,它由碳酸钙组成。晚上它能伸开触角觅食;白天触角缩回囊中,或避免低潮期间在太阳下变干。



图9-11生存在一个骨杯中可收缩的珊瑚虫

珊瑚与其体内的虫黄藻共生在一起。藻类摄取珊瑚的废料,作为珊瑚的营养物。由于藻类光合作用需要阳光,所以珊瑚生活在不到300英尺深的温暖海水中,大多数珊瑚生长在潮间带。广泛分布的珊瑚礁表明,温暖的浅水温度几乎没有什么变化,当温度、海平面和气候适合珊瑚生长时,稠密的珊瑚群可以指示时间。
在浅海处,阳光很容易射入海水进行光合作用,珊瑚礁含有丰富的有机质。90%以上的典型珊瑚礁含有细粒砂质碎屑,被植物和动物固结在礁体表面。由于珊瑚能够形成抗浪格架,所以在礁上生长着旺盛的热带动植物群体。生物礁的主要构造特征是珊瑚壁几乎延伸到过水面,由大量圆形的珊瑚头和多种树枝状珊瑚组成(图9-12)。



图9-12 靠近巴哈马安德罗斯岛高珊瑚礁处生长的闪光珊瑚(由R.Hasha提供照片,得到了美国海军的许可)
生存在这种格架上的珊瑚是小型的、易脆的珊瑚和大量的钙质绿藻和红藻。数百种结壳生物(如节肢动物)生活在珊瑚上,大量的无脊椎动物和鱼类隐藏在珊瑚礁的隐蔽处和裂缝中(图9-13),某些生物一直等到晚上才出来觅食。其它生物则占据珊瑚台地下侧的所有空间或在死亡珊瑚的骨架中。食悬浮生物的动物(例如海绵和海扇)则占据较深的区域。



图9-13 在巴哈马安德罗斯岛远处的岩石和珊瑚之间游泳的刺蝶鱼(由P.Whitmore提供照片,得到了美国海军的许可)
岸礁一般出现在浅海中,靠近海岸线或被狭窄的水域与海岸分隔。堤礁也与海岸平行,但离岸更远,规模较大且延伸较长距离。最好的例子是大堤礁,它是由2500多个珊瑚礁和远离澳大利亚东北海岸的水下小岛组成的,它们形成了一条1200多英尺里长,90英里宽,400英尺高的水下长堤,是世界上最伟大的自然奇迹之一,最大的特征是由生物建造的。大堤礁是一相对构造,可能形成于更新世冰期,在最近3百万年间,随着大陆冰川的生长,海平面发生波动。
前礁是礁脊向海一侧,此处珊瑚几乎覆盖了整个海底。在深水区,许多珊瑚的生长呈平的薄席状,位于光合作用最佳的聚光区。在礁的其它部位,珊瑚形成了大量的被狭窄的沙质水道分隔的支壁,它由死亡珊瑚的钙质碎屑、钙质藻类和生活在珊瑚礁上的其它生物组成。这种水道类似于狭窄的风成狭谷,具有垂直沟壁,能消耗波能,使沉积物自由流入,避免珊瑚窒息在碎屑中。
前礁之下是珊瑚礁台地,紧接着是具有孤立珊瑚顶点的砂质斜坡,然后是另外一个珊瑚台地,最后是一个近于垂直的陡坎,直通到深海。在最近几百万年期间海平面的升降形成了台地,它类似于珊瑚生长形成的楼梯状台阶,向上通到岛屿或大陆的一侧。淹没的珊瑚礁代表了强烈的冰川作用期,当时,海平面下降了400多英尺。在牙买加,最后一次冰期出现在约5000年前,自从目前的海平面稳定以来,礁生长了约30英尺。
珊瑚礁是高生物生产力的中心。在热带地区,它是渔类的主要食物源。不幸的是,许多旅游者常到珊瑚礁海岸游览,损害了这些地区的生产力,造成了沉积物的增加。这些结果常伴随着污水排放的增加,过度捕捞和对珊瑚礁的物理损害,如挖掘、倾废、掩埋垃圾以及为了制作纪念品而对珊瑚礁的直接破坏等。
在百慕大群岛、处女岛和夏威夷这样的地区,开发和污水外流造成了由厚层藻产生的珊瑚礁体的过度生长和死亡。特别是冬季,当藻厚厚地覆盖浅海珊瑚时,由于为耗氧细菌的生长提供营养,所以藻类窒息了珊瑚,这种作用造成了珊瑚的死亡,结果珊瑚礁及其生物群体的最终破坏。
由可能的全球气候变暖造成的海水温度升高使许多珊瑚礁脱色,变成白色。藻类有助于珊瑚的繁盛,它们的死亡对珊瑚礁十分危险。有孔虫类(图9-14)是微小的海洋生物,其壳体保存有海水和大气变化的许多记录,展品的损坏类似于保存在珊瑚礁中的脱色现象。珊瑚在全球生态系统中起了重要的作用,其脱色作用可能会对海洋食物链产生严重的影响。



图9-14 北太平洋的有孔虫化石(由B.P.Smith提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)

9.5火山口生物
在加里福尼亚拜加南部东太平洋隆升的顶部,8000英尺深的海洋中有一奇特的世界。在火山活动的地方,存在一些与地球上其它地区不同的生物和一些过去科学上未知的生物,这些生物生活在完全黑暗的热液出口附近的区域。海底热泉形成了树丛状奇异的烟囱,称为黑烟囱,它们喷出含硫化物的黑色热水(图9-15)。



图9-15深海底部热液出口为底栖生物提供了食物和热量(得到了美国地质勘探局的许可)
黑烟囱养活了世界上最奇特的生物。在热液出口的生物可能是我们曾见过的最陌生的生物。生命可能起源于这些出口的周围,从地球内部获得所需的营养物维持生存。约42亿年前生命就开始在这样的环境里进化了。
海水向下渗到岩浆房附近获得热量和矿物,通过裂隙喷出到海底。热泉口不仅使海底的海水保持适合生物生活的温度,高达20℃,而且提供了有营养的物质,使该区成为完全独立于太阳能量的环境,其能量来源于地球内部。
在热泉口附近丛生的生物是一些不寻常的生物(图9-16),象热带雨林一样拥挤。在黑色的枕状熔岩之间是一英尺长的大白蛤、蚌类,它们不需要皮肤色素。大个的白螃蟹在火山地形上四处奔跑,长腿海蜘蛛和小章鱼在海底四处游荡,这些生物生活在完全黑暗的环境中,它们不需要眼睛,眼睛成为无用的附属物。大型管状蠕虫呈簇状,高达10英尺,热液中摇摆的管状蠕虫是可收缩的生物,它们居住在长长的、宽4英寸的白色茎中。当吃东西时,管状蠕虫露出长的、鲜红色的羽毛补充丰富的物质,对螃蟹而言,这也是微妙的,螃蟹可以爬到茎上获得食物。



图9-16在热液泉口附近海底的高大管状蠕虫、大型蛤和大螃蟹
在大西洋,热泉被一大群小虾所包围。最初认为这些小虾没有眼睛,直到后来才发现在小虾的背上长有一对不寻常的眼睛,而不是长在它们的头上。很明显,它们能够利用热水烟囱发出的弱光看到东西。深海发光体使生物学家产生了浓厚的兴趣,因为生物能够利用完全独立于太阳的一种光合作用产生的能量。
最明显的是热泉生物没有获到从上覆水体下降的碎屑物质带来的营养物质,而是依靠与之共生组合的含硫代谢细菌,这些细菌生活在热泉生物的组织内,在热液水中,通过化合作用细菌代谢硫化物。它们利用来自热泉硫化氢的氧化作用释放的能量与二氧化碳合成有机化合物产品,如糖类、蛋白质和油脂化合物。许多生物把吸收细菌新陈代谢的副产品作为营养物质。
某些生物也直接吃细菌。一些看起来奇特的、长着长卷须的、在温水中游泳的生物成为海底较高级复杂生物的食物。由于漂浮大量的白色细菌的碎片,使一些区域呈雾状,这些像下雪一样的白色细菌在水中打漩。有时漂动的细菌团分散成疏松状加入到“降雪”的生物漩涡中。热泉生物依靠细菌,所以贻贝有未发育的胃而管状蠕虫甚至没有嘴。
这些生物生活在危险的环境中。热泉时而喷发,时而静止,只有热泉口不断喷出热液,生物才能够生存,或许只能生存几年。为了说明这一点,奇特的空蛤壳堆积证实了当地曾经发生的灾难。在新的玄武岩地区,新热泉口周围的生物很快会建造住所,曾经贫瘠的深海区会立即富饶起来。
9.6 潮间带生物
涨潮和退潮在潮间带形成了一个巨大的生物生长空间(图9-17a和b)。潮间带的大多数底栖生物都有适应太阴日节律的生物钟。节律是以重复动作或生理事件为特征,例如摄食是与潮汐作用同步进行的。每个太阴日长约25小时,一般有二次潮,形成双峰太阴日节律,生物的单峰太阴日与24小时太阳日相一致。



图9-17a 靠近华盛顿市Clallan县Piller point 潮间带形成的无序砂岩(由W.O.Addicott提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)



图9-17b 与平均海平面相对的高潮线和低潮线及海拔高度
通过事先给生物一些适应环境规则变化的警告,生物钟十分有助于生物对环境的适应,例如黄昏或潮汐的返回。即使在不变的实验室条件下,没有每天的变化或潮汐周期的影响,生物钟也会继续起作用,潮汐节律能持续一段时间。
很明显,潮汐节律不是潮汐本身给生物留下的印象。饲养在实验室里的螃蟹,在温度降低后,在其活动中只有白天展示不同的潮汐分量。而且来自不同地区的螃蟹如果不适合潮汐,很快就会跑到潮坪产生潮汐节律。很明显,测量潮汐频率的生物钟是天生的,只要有外界的刺激就可以激活。
生物的节律行为也是遗传密码的重要表现。遗传因素决定了生物是在高潮时活动还是在低潮时活动。在潮汐节律形成过程中,环境也起了重要的作用,潮汐时间表只决定了生物钟的产生。因此,迁徙到不同海洋生物的生物钟与新的潮汐条件同步,而且激浪适合于开阔海海滩上底栖生物的活动方式。
生活在保护海湾中的潮间带生物并没有反映海水的变化,而是由更敏感的条件控制,例如由进潮汐作用产生的温度下降或压力变化,这种作用有助于产生潮汐节律。即使没有外部刺激,生物钟也会继续精确地起作用,但不再控制生物活动。在生物返回海洋,生物钟重新起作用之前,它不受潮汐影响。像所有的生物钟一样,生物钟的精确度不受环境的变化而改变,这条规则不仅适合潮间带生物而且适合所有的生物。

10 独特的海底地貌

海底具有许多地球上其它地方没有发现的无数独特的地质构造。与深海沟有关的与众不同的海山喷出冷泥浆而不是热熔岩。分布在大洋中脊周围是不寻常的火山沉积,包括枕状熔岩堆积、树枝状的黑烟囱和海底间歇泉,海底间歇泉呈巨大的羽状向地表喷出大量的热水。
海底滑坡比陆地上的滑坡规模要大得多,它在海底挖出深沟并把大量的沉积物堆积在海底。活动的海底形成了多种凹陷,包括海蚀洞、兰洞、气爆、喷火山口和许多海底爆炸形成的大坑。掉入海洋的巨大陨石或彗星在海底爆炸形成深坑,在海底的这些地形比陆地上的保存得好。
10.1 泥火山
在太平洋马里亚纳海沟(世界上最深的凹陷)西部约50英里处存在一串巨大的海底火山,它们位于海平面之下2.5英里深处约600英里长、60英里宽的区域。海底山脉并不是像太平洋海底大多数火山那样由热火山岩形成,而是由冷的、具塑性的蛇纹岩组成。蛇纹岩是一种软的、灰绿色的岩石,类似于蛇的颜色而得名,它是一种低级变质岩,主要矿物是石棉。石棉是由水和橄榄石反应形成的, 橄榄石是一种橄榄绿色、富含铁和镁的硅酸盐矿物,是上地幔的主要成分。
喷出的蛇纹岩像火山熔岩一样流向海山的翼部,并形成平缓的斜坡构造。许多海山上升超出海底1英里,底部宽约20英里,类似于宽盾状火山(例如,Mauna Loa),它们形成了夏威夷群岛。1989年的国际大洋钻探计划的钻井取芯表明蛇纹岩不仅覆盖了海山的顶部,而且充填了其内部。
只有数百英尺高的较小海山是泥火山,看起来像陆地上热液地区形成的火山一样(图10-1)。它们由几堆与油气渗漏有关的可流动的沉积物组成,此处,像石油一样的物质渗出海底。显然,在地球内部热作用下,富含有机碳的沉积物裂解为油气,甚至在热液场周围获取的岩芯也能闻到强烈的油味。



图10-1 加里福尼亚州皇帝县皇帝接合处西北方向形成的泥火山和带酸味的池塘(由Mendenhall提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
泥是由橄榄岩组成的,橄榄岩转化为蛇纹岩,沿下伏断层运动碾碎成岩石粉末,常称为断层泥。泥火山表现为长期休眠的脉动活动。许多海山是最近形成的(用地质学的说法),可能是在近百万年内形成的。
类似于圈闭油气的墨西哥湾的盐底辟构造,马里亚纳海山可能是底劈作用形成的。随着太平洋板块俯冲进马里亚纳海沟并滑入菲律宾板块之下,由于橄榄岩与从太平洋板块俯冲部分渗出的流体发生相互作用,因此,由幔岩橄榄岩组成的底劈构造发生了改变。从俯冲板块排出的流体与幔岩发生反应,把部分地幔物质转化为低密度的矿物,这些物质通过俯冲带慢慢地升到海底。
大约九千万年前,岛弧前面的马里亚纳地区是由大洋中脊和岛弧玄武岩组成的,在最近的五千万年里,由于板块的俯冲作用,40英里厚的岛弧玄武岩被侵蚀掉。随着大洋岩石圈消失在俯冲带,从下降板块中渗出了大量的流体,海山的形成过程向前推进了四千五百万年。与周围地幔物质反应的流体形成了在洋底通过裂缝上升到地表蛇纹岩气泡。
与大洋中脊有关的流体相比,俯冲带流体的温度是较低的,在大洋中脊热液出口喷出了高温黑色流体(图10-2)。然而不是像东太平洋中脊和其它大洋中脊的黑烟囱那样由重矿物组成,马里亚纳海山可怕的白烟囱是由文石组成的,文石是一种碳酸盐矿物,通常在海水深处溶解。在广阔的海底分布有数百个侵蚀和死亡的碳酸盐烟囱。


图10-2 在东太平洋中脊上的黑烟囱(由R.D.Ballard提供照片,得到了美国伍兹霍尔海洋研究所的许可)
很明显,从海底表层之下流出的冷水使碳酸盐烟囱生长,避免了它在海水中溶解。许多碳酸盐烟囱是很薄的,高度一般不到6英尺。其它的烟囱构造较厚、较高,有时会结合在一起形成在其上包含有黑色锰结核沉积的城墙。小锰结核也分布在许多泥火山的顶部。
奇特岩层是远源的大洋岩石圈碎片,暴露在板块碰撞带的大陆和岛屿上。许多岩层含有类似于形成马里亚纳海山的巨大蛇绿岩体。它们的存在是一种永恒的启示,即在过去海底是强烈活动的,直到今天仍在继续活动。
10.2 海底热泉
或许地球上最奇特的环境位于靠近海底扩张中心的深海海底,例如,在东太平洋隆升和中大西洋中脊的顶部,它们是地球上最大的岩浆系统。固结的熔岩湖长数百英尺,深20多英尺,它可能是由熔岩快速流出而形成的。在某些地方,熔岩湖的表层已经塌陷,形成一个塌穴(图10-3)。



图10-3 在东太平洋胡安德夫卡隆升处,熔岩湖边形成的塌穴(得到了美国地质勘探局的许可)
随着岩浆慢慢地从离散岩石圈板块之下的地幔中流出,海底扩张常被描述为永不愈合的伤口。在海底扩张期间,从地幔中上升的岩浆在海底固结,形成新洋壳。海底参差不齐的玄武岩陡壁是熔岩流动的证据。当熔融的岩石从地壳裂缝中喷出并被深层冷水冷凝时,就会形成枕状熔岩原野。
随着裂谷两侧岩石圈板块的分离,熔融的玄武岩从地幔中缓慢上升充填裂隙,有时候沿大洋中脊顶部巨大的喷发顺坡向下流动十几英里。然而,大多数情况,玄武岩仅从扩张中脊渗出,在海底形成多种熔岩构造。
大洋中脊体系具有许多不寻常的特征,包括巨大的山峰、锯齿状山脊、地震作用形成的断壁、深切谷和各种熔岩地层(图10-4)。与大洋中脊有关的熔岩层包括席状熔岩、枕状熔岩或管状熔岩。在快速扩张中脊的活动火山区,席状熔岩是比较常见的,例如分布于东太平洋隆升处的席状熔岩,此处板块每年以4-6英寸的速率分离。



图10-4 在胡安德夫卡附近热液出口周围的兰色螺纹状硫化物沉积(得到了美国地质勘探局的许可)
枕状熔岩(图10-5)喷发好像从巨大牙膏袋中挤出玄武岩一样。熔岩从海底扩张中心缓慢上升,例如从中大西洋中脊上升,此处板块以大约每年1英寸的速率分离,而且熔岩的粘度很高。枕状熔岩的表面常含有褶皱或小皱纹,指示了熔岩的流动方向,尤其是枕状熔岩形成小型的、伸长状小丘,指示了坡向。
在快速扩张的裂谷体系,例如在加里弗尼亚南部的东太平洋隆升,热液出口处形成了巨大奇特的丛状烟囱,有30英尺高。
通过洋壳渗漏的海水需要在裂谷之下岩浆房的热量,这些海水通过喷口以巨大的力量排出,就像海底热泉一样(该术语间歇泉来源于冰岛语geysir,意思是“喷出物”)。



图10-5 海底的枕状熔岩(得到了美国伍兹霍尔海洋研究所的许可)
热液水高达400℃,但是并没有沸腾,因为在这样的深度,海水处于200~400个大气压之下,过热的海水中富含溶解的矿物质,例如铁、铜和锌,在与深海冷水接触的界面处加快了其沉淀速度。从热液喷口喷出的硫化物形成了高烟囱,某些烟囱呈分枝管状,像从工厂烟囱中排出的浓烟一样,黑色的硫化物矿物顺海流方向漂流。
位于厄瓜多尔西部的加拉帕哥斯群岛西南方向约750英里处,沿东太平洋隆升的海底山链(图10-6)有一片最近形成的无边无际的熔岩原野。熔岩喷发好像靠近轴部开始,通过岩壁和峡谷顺坡流动了12英里多,喷发物质的体积近4立方英里,分布面积约50000英亩,这些熔岩大约是世界各地海底每年新形成的玄武岩总量的一半,足以铺满整个美国州与州之间的高速公路,厚度达30英尺。尽管这次喷发不是地质历史时期的最强烈喷发,但这是人类有史以来最大的玄武岩流。伴随这些巨大的玄武岩喷出,富含矿物的热水呈巨大的羽状喷出,长约10英里或更多,高数千英尺。



图10-6 东太平洋中脊的位置
从海洋调查船AtlantisⅡ号施放的水下潜艇阿尔文(图10-7)对海底进行了勘探。1991年4月,在阿尔文船上的海洋学家目睹了一场真实的海底火山喷发及其产物,它们位于墨西哥阿卡普尔科东南方向约600英里的东太平洋中脊。因为在同样的位置海底的景色与15个月之前所照的照片明显不同,所以科学家认为海底刚刚发生了火山喷发。



图10-7深海潜艇阿尔文的艺术表演(得到了美国海军的许可)。
这些景象表明了最近的火山喷发,这次火山喷发烧死了海平面之下1.5英里深处海底管状蠕虫群落及其它生物,悬浮颗粒把接近海底的海水搅混,巨大的极热水流从岩浆中倾斜而出,熔岩流把还没有腐烂的管状蠕虫烧焦,一部分覆盖了仍然附着的生物,此时,大群螃蟹正在吃死亡生物的尸体。
在远离俄勒冈州250英里处的胡安德夫卡中脊处巨大的海底火山喷发喷出了大量的熔岩,在一次喷发中形成了新洋壳。在西边巨大的太平洋板块和东边微小的胡安德夫卡板块之间,大洋中脊形成了边界(图10-8)。当两个板块分离时,沿大洋中脊产生火山喷发,使熔岩从地幔上升到海底表面,形成新的洋壳。随着时间的推移,海底扩张作用把较老洋壳从大洋中脊移走。



图10-8在胡安德夫卡中脊火山喷发的位置
新的岩浆岩包括枕状熔岩和没有被沉积物覆盖的闪闪发亮的玄武岩。加热到50℃的水从刚形成的坚硬的玄武岩裂缝中渗出。在某些地区,管状蠕虫在热液出口周围建立住所。在八十年代后期,发现两个巨大的热柱与火山喷发有关,沿这两个巨大热柱的位置从裂缝中喷出了长约10英里长的一串玄武岩小山丘。当大洋中脊体系裂开并搅起更新的地壳时,热液流体以及新玄武岩涌出海底。
远离华盛顿州海岸的一片海底热泉以接近400℃的温度注入接近冰冻的海水。沿东太平洋中脊扩张中心的海底裂缝喷出的大量海底火山形成了巨大的热柱。巨大的热柱是由强烈的岩浆活动产生的,宽度达数十英里。
在一次剧烈的海底扩张中,当熔岩喷发时,大洋中脊就会裂开并喷出热水。在几个小时,最多几天内,超过1亿立方码的极热水从数英里长的巨大洋壳裂缝中涌出。当海底破裂时,大量的热水承受海底之下巨大的压力,强烈的喷出产生了巨大的热柱。海面之下大量的极热水的喷发解释了为什么海水是咸的。
10.3 海底滑坡
深海并不是像我们看到的那样平静。海底沉积物沿陡峭的海底狭谷把海底搅拌并进入深海之中,最大的滑坡产生在海底,40多个巨大的海底滑坡靠近美国海岸。沿陡峭的大陆坡移动的海底滑坡把海底电话线埋藏在厚厚的碎石之下。侵蚀作用把电缆之下沉积物侵蚀掉,使电缆在海床之间没有被侵蚀的地区摇摆,造成电缆中断。与能毁坏地形的大规模陆地滑坡相比,在纽芬兰南部Grand Banks附近的现代海底滑坡把电缆弄断,这次滑坡以大约每小时50英里的速度向下移动。
海底滑坡也会产生大规模的海啸,漫延到部分海岸。1929年,在纽芬兰海岸的地震产生了一场巨大的海底滑坡,造成了海啸,使27人遇难。1929年7月3日的海底滑坡产生了25英里长、18英尺高的波浪,冲毁了佛罗里达州代顿海湾,掀翻了汽车,使75人遇难。
在大陆坡,海底滑坡切割了深海谷。海底滑坡是由粘稠的、富含水的沉积物组成,它沿海底快速地搬运沉积物,这些泥水称为浊流(图10-9)。浊流沿大陆坡向下流动搬运了大量的碎屑物质,浊流也可以由海岸风暴或其它水流产生,它们沉积了大量的沉积物,增大了大陆坡和深海平缓的地形。



图10-9水下富含沉积物的河流称为浊流(由R.F.Dill提供照片,得到了美国海军的许可)
大陆坡沿海底向前延伸数千英尺,倾角达60°~70°。到达大陆架边缘的沉积物在重力作用下沿大陆坡向下滑动。在重力滑动作用下,巨大的沉积物象瀑布一样沿大陆坡向下滑动,切割出巨大的海底峡谷,形成了巨大的沉积物堆积。这种海底滑坡常常呈突发性的,就像陆地上的泥石流一样,在数小时内搬运了大量的沉积物。
地球上最大的滑坡是靠近夏威夷岛底部的水下沉积物。在夏威夷的东南海岸,Kilauea火山南翼,约1200立方英里的岩石正在以非常快的速度向下滑动(以地质术语来说),其速度达每年10英尺。这是地球上以这种方式运移的最大块体,最终,会产生灾难性的滑坡,其毁坏性比任何火山喷发作用要大得多。
海底存在巨大的夏威夷群岛曾经滑入海水之中的证据。截止目前,海底岩石滑动的最大例子是沿夏威夷火山翼部的滑动,其规模约1000立方英里,从其产生处延伸了125英里。瓦胡岛的崩塌把碎屑在深海处搬运了150英里,在海水中搅起了巨大的波浪。在10万年前,当部分Maunaloa火山崩塌滑入海水时,产生的海啸达1200英尺高,这不仅对夏威夷是悲惨的,而且给北美太平洋沿岸也造成了巨大的损失。
中大西洋中脊的裂谷底部保存有10000英尺深的巨大海底滑坡残余物,其规模超过了有记录历史以来的任何滑坡。在海底火山一侧的巨大擦痕表明山腰是滑坡的路径,滑坡曾以极快的速度向下滑动,在几分钟内,越过了一个小山脊向坡下滑动。这次滑动搬运了约5立方英里的岩石碎屑,比现代历史上最大的1980 Meunt St.Helens滑坡大六倍(图10-10),该滑坡产生在大约45万年前,产生的海浪可能达2000英尺高。



图10-10 1980年Mount St. Helens火山爆发形成的毁坏情况,在最显著的位置显示了广泛的冰和岩石碎屑(得到了美国国家航空与宇宙航行局的许可)
10.4 海蚀洞
洞穴是由海浪强烈拍打岩石海岸所形成的,它们是由流冰犁开或由熔岩流形成的。洞穴是地下水溶解最典型的例子。随着时间的推移,在地下流动的酸性水溶解了大量的石灰岩,形成一系列巨大的洞穴和隧道。洞穴形成了地下隧道,地下隧道引出了地下水,这就产生了地下河,它类似于地表流水。这种作用产生的石灰岩地貌称为喀斯特地形,它是因斯洛文尼亚地区的洞穴而得名。
由于海浪不断拍打沿岸或地下水流经的海底石灰岩地层,将剥蚀的物质带入海中,造成上面的岩石崩塌,海蚀洞穴就会形成海蚀崖(图10-11)。由于石灰岩岬角具有不同的硬度,波浪作用就会形成海蚀拱桥。海边的风暴侵蚀了高高的海蚀陡崖,使它向陆地方向前进数十英尺。有时,海浪的拍打作用在石灰岩中穿孔形成海蚀拱桥。



图10-11在阿拉斯加库克湾Chinitna地区海蚀穴切入粉砂岩(由A.Grantz提供照片,得到了美国地质勘探局的许可)
在墨西哥犹加敦半岛的丛林中有一奇特的地方,海底之下100英尺深处,巨大的洞被数英里弯弯曲曲的通道联接。喀斯特地形产生了水下洞穴和沉陷洞穴。当上覆石灰岩层崩塌时就会形成沉陷洞穴,下部为一片汪洋。下伏石灰岩为一具有长隧道蜂窝状地形,长数英里,巨大的洞穴能够很容易地容纳几间房子。
像地表的洞穴一样,犹加敦大洞穴含有丰富的从洞穴顶部悬挂的钟乳石和从洞底向上生长的石笋。洞穴内也含有精巧的、空的钟乳石,称为管状钟乳石,需要数百万年才能形成。鱼、甲壳类动物和其它小的原始生物居住在黑暗的洞穴中。
蓝洞是淹没在海水中的沉陷洞穴,由于其颜色很深,所以呈现深兰色。许多蓝洞位于佛罗里达州西南的巴哈马岛周围的浅海中,它们形成于最后一次冰期,此时,海平面下降了数百英尺,部分海底暴露在海平面之上。海平面下降对应于冰川生长,这些冰川覆盖了 地球的北部地区,固定了大量的水。
当石灰岩暴露于干燥的陆地期间,酸性雨水渗入地层中溶解了石灰岩岩层,形成了巨大的地下洞穴。在上覆岩石的重力下,洞顶崩塌,形成了巨大的多洞穴的深坑(图10-12)。在冰期的末期,当冰川溶化时,海水淹没了该地区和沉没的落水洞。蓝洞是十分危险的,因为它们常常形成强大的涡流或旋涡,尤其是对小船十分有害。


图10-12 在阿拉巴马州中部谢尔比县内有全国最大的落水洞,长425英尺,宽350英尺,深150英尺(得到了美国地质勘探局的许可)
10.5 海底陨石坑
由于地球表面的70%被海水覆盖,所以大多数陨石就会落入大海之中,在海底的几个位置可能是海底陨石撞击坑。落入海中的小行星或慧星会形成一圆锥形的水幕,伴随着数十亿吨的海水溅入空中,大气中充满了水蒸气,浓云遮星蔽月。从撞击的位置产生的大规模海啸横卷全球。当海啸到达海岸时,它们会向内陆传播数百英里,毁灭所遇到的一切东西。大约六千五百万年前,一块巨大的陨石可能撞击了地球,形成了至少100英里宽的陨石坑,其碎屑使地球环境变得混浊。这场大灾难可能造成恐龙以及70%的其它生物的死亡。已经找到了真正的陨石坑,表明陨石曾经掉入海中,如果这样的话,数百万年的海底俯冲将抹擦了所有的这些景象。
寻找杀死恐龙撞击位置的许多工作集中在加勒比海周围(图10-13),此处有厚厚的波浪沉积物,以及熔融的和明显从陨石坑中溅射形成的凝结岩。陨石坑的最可能位置是110英里宽的Chicxulub构造,它是地球上已知最大的陨石坑,位于犹加敦半岛北部的600英尺厚的沉积岩之下。如果陨石落在离海岸远处的海床中,6500万年的沉积作用早已把它埋在厚厚的泥沙沉积之下。而且,陨石在海洋中的溅落必定会产生巨大的海浪或海啸,它们会冲刷海底,把碎石沉积在附近的岸边。



图10-13在加勒比海地区白垩纪结束的碰撞构造的可能位置
已知的最显著的海底撞击陨石坑是35英里宽的Montagnais构造,它位于加拿大新斯科舍省东南海岸125英里处(图10-14)。在该地区勘探油气的石油公司发现了这个环形构造。该陨石坑有五千万年,非常类似于干旱陆地上的陨石坑,只可惜其边缘位于海平面之下375英尺,陨石坑底部有9000英尺深。一块2英里宽的巨大陨石形成了该陨石坑,这次撞击使中央峰升高,类似于在月球上陨石坑中所见到的现象。



图10-14加拿大新斯科舍省Montagnatus陨石坑的位置
撞击构造也含有突然碰撞熔融的岩石,这种撞击会产生巨大的海浪袭击周围的海岸。由于陨石坑的大小和位置,所以它被认为可能是散落在美国西部的玻陨石(小的、玻璃状物体)来源。不幸的是,该陨石坑年龄只有数百万年,它太年轻以至于不能形成北美的玻陨石。然而,海洋是巨大的,更好的陨石坑可能某一天会展示自己。
约四千万年前,沿维吉尼亚海岸一块陨石突然滑入大西洋激起了巨大的波浪撞击着相邻的海岸,海啸席卷了海底5000平方英里的区域,相当于整个康涅狄克州大小。当陨石坠入沉没的大陆架时,就会产生波浪,使海底产生大量的巨砾。由3英尺的砾石组成厚200英尺的地层沉积在三个位置,埋在1200英尺沉积物之下。在砾石层内部是显示冲击特征的矿物颗粒,象玻璃状的岩石称为玻陨石,当陨石在海底爆炸时,熔融的岩石向四面八方飞去,就会形成玻陨石。
在佛罗里达州的南端,一次巨大的陨石撞击可能产生沼泽地。沼泽地周围是由椭圆形山脉环绕的森林地区,它位于佛罗里达城南部的大部分地区。大约六百万年前的巨大珊瑚礁位于沼泽地边缘之下,珊瑚礁可能围绕陨石撞击形成的环形盆地。怀疑在沼泽地的南部大多数地区缺失约4000万年前沉积的环绕该区的厚层石灰岩。很明显,一块巨大的陨石落到石灰岩中,沉入600英尺的水下,并使岩层发生了断裂。这次撞击也产生了大规模的海啸,把大量的碎屑向陆地搬运。
约230万年前,一颗小行星撞入南美西端约700英里的太平洋海底。虽然没有找到陨石坑,但是,在该地区玻璃质岩石砂粒中存在铱元素超量(铱元素是在陨石中发现丰度较高的珍贵同位素),表明它是地外成因的。这次撞击至少产生了3亿吨的碎屑,相当于直径0.5英里的物体。撞击所产生的爆炸相当于目前世界上所有的核武器爆炸所释放的能量,毁坏了当地的生态系统。而且,地质证据表明,在距今2.2到2.3百万年之间,地球的气候突然变冷,此时,冰川覆盖了北半球的大部分地区。
10.6 海底火山爆发
有历史记录的最激烈的火山喷发产生在公元前十七世纪地中海克利特岛北部75英里的Thera岛屿。岛屿下面的岩浆房充满了海水,象一个巨大的高压锅,火山作用掀掉了它的盖子。岩浆岛塌陷成空的岩浆房,形成一深的、充满水的喷火山口,覆盖了30平方英里的地区(图10-15)。Thera的崩塌也产生了巨大的波浪,侵袭了地中海的东海岸。



图10-15 Thera爆发形成的火山口
克拉卡托岛位于爪哇岛和印度尼西亚苏门答腊岛之间的Sundra海峡。1883年8月27日,四次强烈的爆发把该岛撕开,这些爆发可能是由海水进入岩浆房所产生的水蒸气迅速膨胀所致。随着最后一次爆发,岛屿的大部分地区崩塌为空岩浆房并产生了一巨大的海底喷火山口,它们位于海平面之下1000英尺,类似于突出在海平面之上一口具有锯齿状边缘的碎碗。
1952年11月1日在南太平洋Enivetok泻湖的Elugelab环礁进行了第一颗氢弹试验,这个核装置被命名为“麦克”,长22英尺、宽5英尺,重约60吨。据估计爆炸力相当于1000吨的TNT炸药。当“麦克”爆炸时(图10-16),在不到1秒钟的时间里,火球膨胀的直径超过3英里,数百万加仑的海水瞬间被蒸发为蒸汽。当云雾散去后,Elugelab不再存在。在海底因爆炸形成一个巨大的坑,宽1英里,深1500英尺。


图10-16 1955年11月1月在Elugelab环礁上进行的第一颗氢弹试验(得到了美国国防部原子能机构的许可)
在海底另一种类型的坑是由海底天然气爆炸所形成的。1906年,在墨西哥湾的水手亲眼目睹了一团气体爆炸,在海面上产生了大量的气泡。该区以油气储集而著名,可能是油气造成的爆炸。天然气被圈闭在海底深处高压之下,随着压力的增大,气体在海底爆炸,碎屑向各个方向扩散,在海底形成巨大的坑,气体呈大量的气泡冲向海面并破裂,结果在海面形成了一层厚厚的泡沫。
对该区的进一步勘探在海底发现了一个大坑,它位于密西西比三角洲东南7000英尺深处。椭圆形的坑长1300英尺,宽900英尺,深200英尺,位于一座小山之上。在坡下有二百多万立方码的沉积物,很明显,气体沿海底裂缝向上渗漏,在一个不渗漏的地层之下聚集。最终,压力使气体喷出,形成一巨大的爆炸坑。
在墨西哥湾以及世界上其它地方,在温暖气候条件下,当海水蒸发时,就会形成厚层盐沉积。墨西哥湾底部存在一层硬石膏,称为无水硫酸钙,它是蒸发沉积作用形成的。硬石膏形成了不渗透层将气体圈闭在该层以下。
当不断增加的气压能够冲破阻碍时,气体冲出海底,在海面上形成泡沫。一艘船驶入这种泡沫海时就会突然失去浮力,因为船只不再被海水支撑,就会立即沉入海底。飞入其上空的飞机可能会坠毁,其发动机会被有毒的气体笼罩。或许这些现象可以解释在加勒比海称为百慕大大角(图10-17)地区的飞机和船突然消失的现象,这是海洋中许多未解之迷之一。



图10-17连接佛罗里达、迈阿密、波多黎各和百慕大的百慕大魔鬼三角已造成多起轮船和飞机神秘失踪

专用名词术语表

 

磨蚀作用

由于流水、冰川以及风所携带的岩石颗粒的摩擦作用而造成的侵蚀现象

吸收作用

辐射能量的过程—与任何物质相伴随—它被保留或转移成为热能或其它形式的能量

深渊

深海,一般深度超过一英里

增生作用

由于物质聚集在一个物体的外部而使其体积增大

水平对流

空气或水的水平运动

反光率

太阳光从一个物体反射回的数量,取决于它的颜色和结构

冲积层

河流沉积物

高山冰川

指山脉冰川或山谷冰川

安山岩

一般是指与俯冲带岩浆作用有关的岩浆岩

节肢动物

一大类无脊椎动物,包括甲壳类和昆虫

软流圈

位于地表以下大约50~200英里深处的一层上地幔—比其上下的岩石更具有塑性并且可能呈对流运动

大气压

对于某给定点之上单位面积的空气总重量,也称为大气压力

弧后盆地

在俯冲带之上位于岛弧后面由板块伸展作用产生的海底火山扩张体系。

波罗的古陆

早古生代的欧洲大陆

障壁岛

一种低的、伸长的沿岸岛屿,它平行于海岸线并保护海岸免受风暴侵袭

玄武岩

一种呈黑色的,通常呈熔融流动状态的火山岩

贝尼奥夫带

指地震活动带,它是板块俯冲进入地幔的边界

深海流

沿深海底部流动的洋流

生物成因的

由动物和植物遗体组成的沉积物,如贝类

生物圈

与所有生物作用和地质作用有关的地球上的生物活动部分

黑烟囱

在大洋中脊上升到表面的过热热液水,这种水是金属过饱和的,当穿过海底时,水迅速冷却,使溶解的金属沉淀,产生黑色烟状流出物

腕足动物

浅海海洋无脊椎动物的双壳类,外貌与蛤类似

喷活山口

由强烈喷发或崩塌作用形成的火山顶上巨大的凹陷

裂冰作用

由于进入海洋的冰河断裂所形成的冰山

碳质的

一种含碳的物质,例如沉积岩和陨石

碳酸盐

一种含有碳酸钙的矿物,例如在石灰岩中的矿物

碳循环

碳流入大气和海洋中,转化为碳酸盐岩,然后再经火山作用返回地表

新生代

最近的生物时期,从六千五百万年以前至今

化学合成

由化学反应放出的能量制造有机化合物,例如深海底靠近热液出口的那些化学反应

环太平洋带

位于太平洋板块边缘的地震活动区,与火山环相对应

气候

随着时间推移,在一个特定区域内天气的平均值

海岸风暴

沿海岸平原或近海岸运动的低压气旋系统,在陆地产生北风至东北风,沿大西洋海岸,称之为东北风

凝结

物质由气态转化为液态或固态的过程,与蒸发过程相反

大陆

由轻的花岗岩组成的陆块,它位于上地幔较致密的岩石之上

大陆漂移

在整个地质历史时期,大陆沿地球表面漂移

大陆冰川

覆盖一部分陆地的冰席

大陆边缘

真正的大陆边界,通常位于海底

大陆架

远离大陆的浅海区域

大陆坡

从大陆边缘向深海盆地的过渡带

对流

由于从下部加热而引起的液体垂直循环流动。当物质被加热时它们密度变小并且开始上升,当冷却时,较重的物质下沉

会聚型板块边界

两个岩石圈板块之间的边界,在深海沟,一个板块俯冲在另一个板块之下

珊瑚

一群生活在浅海、底栖的海洋无脊椎动物,通常指在温暖海水里的造礁群体

地核

指地球内部由结晶的内核和熔融的铁、镍外核组成的部分,地核的半径约2300英里

科里奥利效应

一种使气流和洋流发生偏转的惯性力,引起它们发生的弯曲与地球的旋转有关

克拉通

稳定的大陆内部,通常由大陆上最古老的岩石组成

地壳

地球岩石圈的外层

三角洲

在河口地区沉积物堆积形成的楔形体

密度

单位体积内物体的质量

露点

在一定的压力和湿度条件下空气被冷却至饱和时的温度

底辟

在浮力的作用下,岩浆上升到较重岩石的表面

硅藻土

一种微植物,其硅化石壳形成硅质沉积物,称为硅藻土

离散型板块边界

在大洋中脊分离的岩石圈板块边界

下降

因为流体比周围介质重而形成的下沉作用

地震

沿活动断层产生的岩石突然破裂

东太平洋隆升

沿太平洋东边南北向展布的大洋扩张中心,在其上已经发现了热泉和黑烟囱

棘皮动物

海洋无脊椎动物,包括海星、海胆和海参

厄尔尼诺

由于信风的作用,在太平洋赤道东部形成的一种海水异常变暖现象

蒸发作用

由液体向气体的转化作用

蒸发岩

在一个封闭的海盆中,由于蒸发作用形成的盐、硬石膏和石膏沉积

进化

随时间的变化而造成的物理因素和生物因素的变化趋势

喷出作用

熔岩自下而上向地表的喷发作用

裂缝

在地壳中的一种大裂缝,岩浆通过它可以上升到地表

河流沉积

与河流作用有关的沉积

有孔虫类

生活在海水表层的在碳酸钙中的微生物,在地质历史时期,当生物死后,在海底其壳体形成了最初的石灰岩沉积

化石

地质历史时期,在岩石中保留的动物或植物的遗体、遗物或遗迹

化石燃料

由古植物或古动物形成的能源,包括煤和石油

断裂带

平行于扩张中脊的、呈阶梯状排列的狭窄地带,包括山脊和峡谷

频率

通过一个给定点的波峰速率

辉长岩

常指在洋壳中的粗粒侵入岩,它富含铁和镁

腹足类

一大类软体动物,包括蛞蝓和蜗牛

地质柱状图

在一个地区岩层的总厚度

地转流

在北半球,垂直科里奥利流或边界流右侧的洋流

间歇泉

周期性把蒸气喷出地表的热泉

片麻岩

在高温、高压作用下,花岗岩经变质作用形成的一种变质岩

冈瓦那大陆

古生代时期南方的超级大陆,包括非洲、南美洲、印度、澳大利亚和南极洲,在中生代时期,它分裂成为现今的大陆

花岗岩

一种粗粒的、富硅的岩石,主要由石英和长石组成,它是大陆的主要组分,来源于地表以下熔融的岩浆

重力仪

一种测量地球重力大小的仪器。

温室效应

由于大气吸收的短波辐射比放出的长波辐射多而引起的全球热效应。

绿岩带

大量的前寒武系变质火成岩

平顶海山

达到海洋表面的海底火山,由于侵蚀作用其顶部被削平,后来沉降作用使火山沉到海面以下,保持了它的平坦顶部

热流

热能以一定速率或流量从高温区流到低温区,等于温度梯度乘以两部分的传导率

热点

与板块边界位置无关的火山中心,它是地幔中一种不规则的岩浆产生的位置

碳氢化合物

一种由碳链和氢原子组成的分子

含水沉积物

从水体中形成的沉积物

水圈

地球表面的水层

热液的

冷海水向下并通过洋壳向海底较深处循环,在海底深处,冷海水变成热海水并上浮返回表层形成对流

古大西洋

在泛大陆形成之前已存在的海洋,占据了大约现今大西洋海域

冰期

地球大面积被冰川覆盖的时期

冰山

一部分冰川离开陆地进入海洋

冰盖

被冰雪覆盖的两极

火成岩

从熔融状态固结成岩的所有岩石

撞击

行星表面的一点,由于天体撞击形成的大坑

内波

在海洋密度界面传播的一种波,而不是在海水表面传播的波

空隙

与沉积物晶体孔隙有关的空间

无脊椎动物

具有外部骨骼的动物,例如甲壳类动物等

一种稀有元素铂的同位素,在陨石中相对富集

岛弧

俯冲带向陆地方向的火山,它平行于海沟,位于俯冲带熔融区之上。

泥石流

地表物质快速从山上向下运动,经常由地震和风暴触发产生

郎缪尔循环

顺风向排列的近表面的交替漩涡,由波浪的相互作用和平均剪切作用而形成

劳亚大陆

古生代时期北部的超级大陆,包括北美洲、欧洲和亚洲

劳伦古陆

一块前寒武纪大陆,由北美、格陵兰和欧洲北部组成

熔岩

熔融的岩浆流出地表

石灰岩

一种由碳酸钙组成沉积岩,碳酸钙是由无脊椎动物从海水中分泌的,它们的骨骼组成了大量的沉积物

岩石圈

地幔的刚性外壳,一般约60英里厚,被陆壳和洋壳掩埋,常常分为几部分,称为板块。

溶跃面

在某一海水深度以下,死亡的钙质生物壳体的溶解速率超过其沉积速率的深度面。

岩浆

在地球内部产生的熔融物质,它是火成岩(包括岩浆喷发)的组分

磁场反转

地球磁场极性反转,在地质历史时期这种现象间歇产生

磁力仪

用来测量磁场强度和方向的仪器

锰结核

深海底部呈鹅卵形的矿石,富含锰和铁

地幔

地球的组成部分,位于地壳以下地核之上,由致密的、富含铁锰的岩石组成

大块的硫化物

硫与金属化学反应形成的矿石沉积

地幔柱

大洋裂谷上部的大量富矿热水

中生代

生物发展的中期,指年代在2.5亿年~0.65亿年以前这段时间

变质岩

在强烈高温、高压没有熔融的条件下,由先存在的火成岩、变质岩或沉积岩形成的一类结晶岩石

陨石

一种从太空而来的金属质或石质物质,它进入大气层并且撞击地球表面

微板块

被主要板块包围的一小块洋壳。

中大西洋中脊

指海底火山扩张中脊,它是北美、南美板块西部与欧亚和非洲板块东部的边界

大洋中脊

指沿离散板块边界的海底山脉,在那里由于地幔物质上涌而产生新的洋底

莫霍面

地壳和地幔之间的分界面

软体动物

一大群无脊椎动物,包括蛤、蜗牛、乌贼和已灭绝的菊石

橄榄石

一种铁镁硅酸盐矿物,它是地幔的主要成分

蛇绿岩

由于板块碰撞造成洋壳逆冲到陆壳之上而形成的岩石

矿体

含金属的矿石沉积,此处热液水向海洋表面移动并与海洋冷水混合

造山运动

构造活动形成山脉的过程

排气作用

地球内部的气体损失,它与陨石的排气或气体损失相反

氧化作用

氧与其它元素的化学反应

古地磁学

指地球磁场的研究,包括过去磁场的位置和极性

古生物学

根据动物或植物的化石记录研究古代生物的形成

古生代

指5.7~2.5亿年前的古生物时期

泛大洋

围绕泛大陆的原始大洋

橄榄岩

在地幔中最常见的超基性岩

pH值

描述物质酸碱性的对数值,pH值为0表示强酸性;pH值为14表示强碱性,pH值为7表示中性

光合作用

植物通过二氧化碳、水和阳光制造碳水化合物的过程

浮游植物

一种微小的海洋植物

枕状熔岩

在海底向上喷发形成的管状熔岩

板块构造理论

根据岩石圈板块的相互作用,描述地球表面主要特征的理论

沉淀

一种凝聚产物,它会从云中降落,如雨、雪、冰雹或细雨,也指海水中的矿物沉积

初级生产者

食物链中最底层的成员

原生的

指第一次形成或产生的

放射能

与放射源产生的热有关的能量

放射虫

硅质壳体的微生物,它们的壳组成了大量的硅质沉积物

放射性测年

根据存在于物体之中的稳定同位素与不稳定同位素测定物质的年龄

生活在岛屿和大陆边缘的生物群落,生物的壳体形成石灰岩保留在地质记录中

海退

海平面下降使大陆架暴露遭受侵蚀

资源

有用的地球物质,例如金属矿物

脊顶

沿两个板块边缘伸展处排列的大洋中部的火山轴

裂谷

指扩张中心的中部,那里大陆板块和大洋板块发生分离

火山环

与火山活动有关的环绕太平洋板块周围的俯冲带

砂岩

由胶结的沙砾组成的沉积岩

海底扩张

沿大洋中脊岩石圈板块的分离产生海底的过程,在此过程中地幔物质上升充填裂谷形成新洋壳

海山

指海底火山,这种海山从没有达到海水表面,因而没有侵蚀顶部而形成平台

防波提

建造用来预防海岸侵蚀的一种堤坝

向海的隆起

由俯冲板块的弯曲而产生的上升隆起

沉积作用

沉积物的沉积过程

波动

海湾中海水的振动

地震

与地震或者人为震动有关的波动

地震海浪

与海底地震有关的一种海洋波动,又称为海啸

蛇纹岩

一种低级的变质岩,由含水的橄榄石形成

地盾

暴露的前寒武纪陆核区域

盾状火山

由低粘度的熔岩流所形成的宽阔、低矮的火山锥

声纳

一种用声波测量海底的仪器

测深

用重垂线测量水深

风暴浪

由海岸风暴导致的沿岸海平面的异常升高

俯冲带

大洋板块潜入大陆板块之下的区域,海沟是俯冲区在地表标志

海底峡谷

在海底由海面之下的河流侵蚀所形成的深峡谷

沉降

由于地下流体的流动而导致的沉积物倒塌

汹涌的冰河

在某一时期内,高速前进的大陆冰河向海洋流动

共生

两种不同生物为了共同利益的联合

构造活动

在地质历史时期,由于大规模地球运动导致地壳形成的作用

火山灰

所有的碎屑矿物,包括从尘粒到大块物质,在火山爆发过程中,火山喷出的物质

地体

洋壳与大陆碰撞的部分洋壳,它具有与周围岩石不同的组分

特地斯海

假想的中纬度地区分隔北部冈瓦那大陆和南部劳亚大陆的海洋

温跃层

海洋冷暖层之间的界面

潮汐的摩擦作用

与潮汐有关的运动产生热能导致的能量损失

潮汐

主要是月球对海洋的引力产生的海水膨胀现象,地球的自转造成了海平面的升降

转换断层

当两个板块沿某一断层相互移动时形成的板块边界

海侵

海平面上升造成浅水大陆边缘被淹没

暗色岩

呈阶梯状的连续岩浆流

海沟

当海底沿俯冲带插入地幔时形成的地貌特征

海啸

由于海底地震或火山喷发而产生的海波

管状蠕虫

在热液出口生活在长管中像蠕虫一样可蜷缩的动物

浊流

周期性向下滑动的泥浆,经常沿平缓的斜坡向海底滑动

台风

类似于飓风,在西太平洋形成的巨大热带风暴

板下作用

板块下面支撑地幔的物质,造成板块变厚

上升流

地下水向上对流

火山作用

任何类型的火山活动

火山

通过地壳中的裂缝或出口,熔融的岩浆上升到地表形成的山脉

白烟囱

一种与黑烟囱相似的但产生白色流出物的深海底热液出口