摘要: 火山、地下溶洞和大地震的形成都因地下熱氣體的聚散而產生的。地下熱氣的存在使地殼形成時在地層中出現熱氣泡,巖層冷卻凝結,其中的熱氣泡所在的地方變成了地下溶洞;熱氣泡膨脹擴張,沖出一條或多條從地殼底層到地表的通道,往地面噴出巖漿,就形成火山;熱氣泡降溫收縮,造成熱氣泡上面的巖石層拱頂坍塌,引發(fā)熱氣爆炸而發(fā)生大地震。紛繁多變的地質活動和現象,都是地下熱氣發(fā)生作用的結果,地下熱氣的消長是地球物質運動和變化的主要原因。
關鍵詞: 地下熱氣;地殼;熱氣泡;火山;地下溶洞;大地震
引言
空心玻璃器皿的制作過程說明了氣可以改變和塑造熱巖漿的形狀,熱巖漿內存在氣泡可以使之冷卻后形成中空,變成空心玻璃器皿,由此可以推知,地球的巖漿冷卻凝結成山或巖石層時內中包裹著氣泡,有氣泡的地方凝固成形變成空洞,從而形成了現在的山洞和地下溶洞。推而廣之,形成地震和火山的地下熱氣洞也是由熱氣的作用而產生的。熱氣的長消、聚散造成了地質的活動,生成了各種各樣的地質現象。
1 地下熱氣與地殼的通孔結構的產生
1.1 高熱氣體的產生
高熱氣體的產生主要有兩種形式:第一,當高熱巖漿流體物質處于高熱離子形態(tài)時,各種物質無差別地融為一體,當高熱巖漿流體溫度降到一定的程度,存在于高熱流體的各種物質就會還原其氣體形態(tài)而被釋放出來,形成高熱的氣體形態(tài);第二,地殼底層下面的高熱巖漿流體同其外與之相接觸的物質發(fā)生反應,或高熱巖漿流體生成各種熱氣體物質之間發(fā)生反應,生成各種熱氣體化合物,形成高熱氣體形態(tài)。舉例,地殼底層下面的高熱流體從幾萬攝氏度降到一千攝氏度左右時,其中的如H、O、C、CL、S等物質就會還原其氣體形態(tài)而被釋放出來,這些物質之間或外面大氣壓壓進來的物質與高熱流體中的物質在高溫中又進行化學反應,生成其他化合物如H2 O、CO2、N2、HC、HCL、H2 S、HF等物質的氣體形態(tài)。
1.2 地殼的通孔結構
地球原來是一個火球,構成地球表面的高熱流體物質同外面與之相接觸的氣體物質發(fā)生反應消耗熱量,并向外空間散發(fā)熱量而逐漸冷卻下來,凝結成堅硬的巖石層和較松軟的土層相間的地殼。高熱流體從地球表面向里一層層往下逐漸由外到里層層冷卻,凝結成新的巖石層或土層,這些冷卻下來的新的巖石層或土層共同構成了地球的地殼。此過程不斷繼續(xù),地殼變得越來越厚。
巖石層和土層相間的地殼總體上是一個疏松的中間滿是蜂窩狀的小孔和小空洞,并呈立體網狀相連的結構狀態(tài)、可以上下通氣。這種構造形成的原因主要有以下兩種:
第一,地殼下面正在冷卻凝結轉變成巖層或土層的熱流體層,其外是較冷的巖土層,其內是高熱流體層,高熱流體層的熱量穿過正在巖土化的熱流體層向外散發(fā),遇到外面較冷的巖土層,一部分熱又向內折回來形成對流,使熱氣對流在高熱流體層與較冷的巖土層之間反復進行,夾在中間的正在巖土化的熱流體層就像被蒸的饅頭,中間形成滿是蓬松的小孔立體網狀結構的形狀,可以內外通氣,當其冷卻凝結成巖土層以后,這種形狀就固定了下來。
第二,正在巖土化的熱流體中包含的氣態(tài)物質沒有被完全釋放出來,在巖漿中形成大小不同的氣泡,冷卻以后,在巖土層中有氣泡的地方就形成了大小不同的氣孔、空洞,可以上下通氣,地下巖溶洞與山洞也是這樣形成的。
即便是純粹的巖石層,雖然質地堅硬、結構緊密,其中間仍然有眾多的小空穴和小縫隙,使氣體能得以正常通行。
這些一層層冷卻下來的有通孔結構的巖石層和土層共同組成了有通孔結構的地殼,地殼的通孔構造保證了地球內外的物質能量的正常交換。在地殼的長期演化中,由于地層的移動、推擠、抬升、變厚和火山爆發(fā)等多種原因,使地質變形,有些地方地層的通氣功能被削弱,甚至喪失通氣功能,但地殼的總體結構和通氣功能不會有太大的改變。
2 地下熱氣與火山爆發(fā)
2.1 火山的成因
2.1.1火山爆發(fā)的基本原理
火山爆發(fā)的基本原理就是高壓鍋式的熱氣膨脹。
2.1.2火山形成的三個基本條件
火山形成的三個基本條件:一是地殼底層能夠形成聚集熱氣體的大氣泡或大拱洞;二是地殼底層大量高熱氣體在大氣泡中的繼續(xù)聚集和被加熱,三是地殼從底層到表層的不同形式的通孔立體網狀結構。
地殼底層空洞或拱洞的產生的幾種情況:第一,地殼移動造成地殼底層被推擠,抬升而形成拱洞;第二,地殼底層巖漿凝結成固體巖土層時,因巖漿里面含有氣泡而使凝結后的巖土層里存在空洞;第三,地殼底層下面的高熱流體產生的熱氣體向上推動較疏軟的地殼底層而形成拱洞。
各種熱氣體物質形態(tài)在地殼底層中形成很多熱氣泡,或在地殼底層的拱洞里大量聚集起來形成大熱氣泡,熱氣泡下面的高熱流體不斷向它增補熱氣體,并繼續(xù)加熱,使大熱氣泡不斷繼續(xù)擴大和膨脹,各種熱氣體混合構成的大熱氣泡就成為易燃易爆的、隨時準備爆炸的火藥庫。
地殼的通孔結構,使在地殼底層的大空洞或拱洞里聚集的高熱高壓熱氣膨脹擴大空間變得較容易,并且,熱氣泡可以順著地層通孔、裂縫、空洞不斷地由里向外地面膨脹、推動、擴展,打通從地殼底層到地表的通道,最后,沖開地面噴出熱氣體和巖漿,形成火山噴發(fā)。
2.1.3火山的爆發(fā)
地殼底層下面的高熱流體內含有的各種物質,如H、O、CL、C等氣體形態(tài)被釋放出來,逐漸推動地殼底層的軟巖漿形成大熱氣泡,或在地殼底層的拱洞中大量聚集起來,形成大熱氣泡;另外,高熱流體物質與其他物質進行化學反應生成各種化合物的氣體形態(tài),如H2 O、CO2、N2、HC、HCL等氣體化合物,在孔洞聚在一起,形成混合熱氣泡。高熱流體不停地的運動和進行化學反應,大量的各種熱氣體被不停地創(chuàng)造出來,不斷得到加熱和氣體補充的熱氣泡向四周膨脹,擴大空間變成大熱氣泡,或多個小熱氣泡在膨脹擴大中合并成一個大熱氣泡,大熱氣泡順著巖土層的裂縫或空穴不斷向上伸展膨脹擴大,沖出一條或多條從大熱氣泡到地表的通道。地殼底層下面高熱流體的加熱和地殼的地層重量的壓力作用下,大熱氣團處于高熱高壓的狀態(tài),當其能量的膨脹力積累到能順著它已沖開的通道沖出地面時,高熱氣體就會從這個通道噴涌而出,大氣泡下面受高壓的熱巖漿流體也跟隨其后,噴出地面,這就是火山爆發(fā)。
2.2 不同時期火山的一些特征
2.2.1地球早期火山的一些特征
總體來說,地球早期的地殼巖土層比較薄,溫度比較高,質地也比較軟,韌性比較大,較容易彎曲,地殼移動時,巖土層受推擠容易彎曲而在底層下面也較容易形成拱洞。地殼底層下面的高熱流體物質在運動中與其外面壓進的物質進行化學反應,生成各種熱氣體物質,這些熱氣體在地殼底部形成很多熱氣泡,或在地殼底部的拱洞之中大量聚集成大熱氣泡,或多個小熱氣泡在膨脹中合成一個大熱氣泡,大熱氣泡向周圍膨脹擴大,向上沖開較薄的地殼表層,熱氣與熱巖漿從地下噴涌而出,向地面推積熱巖漿,就形成了火山。
當時的地殼較薄,受壓的熱氣泡容易沖開地殼表面,當熱氣泡沖開地殼噴涌而出時,下面的高熱巖漿簇擁著熱氣一起噴出,堆集成山,冷卻后成為巖石山。因此,此時的火山有以下明顯的特征:火山持續(xù)的時間也較短;火山爆發(fā)很少出現反復噴氣的現象;火山沒有明顯的火山口,一座火山就是一堆實心的巖漿,變成一座實心的山峰(含有氣泡的巖漿,冷卻后有山洞);地面溫度較高,火山爆發(fā)非常頻繁,大部分陸地表面都能爆發(fā)火山。
2.2.2地球現階段火山的一些特征
現階段火山的一些特征有:1)現階段火山爆發(fā)的次數少,間隔的時間長。原因是:第一,現階段地球內部的地熱量已大大減少,地殼也大大增厚了,在地殼底層的拱洞里聚集的大量的高熱氣泡,積累足夠的膨脹力來沖破厚厚的地殼巖土層,并不很容易;第二,厚厚的地殼巖土層的地質結構是一個有很多小通氣孔和小空洞組成的立體網狀結構,它有很多空間可以吸收和容納很多高熱流體釋放或進行化學反應生成的熱氣體,對已形成的大高熱氣泡的膨脹力還有緩沖的作用,要形成強大的足以爆發(fā)火山的大高熱氣泡,需要較長時間的能量積累。
2)現階段的火山有明顯的火山口,山火爆發(fā)的持續(xù)時間較長。原因是,地下高熱氣泡順著巖土層的裂縫、空洞或通孔,不斷向上推動和擴展,沖出一條或多條從地殼底層到地表的通道,噴出熱氣體和巖漿,形成火山噴發(fā)。大量受高壓的熱氣體和巖漿一起通過通道涌向火山口,一次只能有少部分氣體和巖漿通過,受阻而滯留的大量氣體和巖漿要經過長時間的多次反復噴發(fā),才能噴完,火山才能停止。因此,火山噴發(fā)巖漿持續(xù)的時間較長。
火山爆發(fā)以后,如果地質結構沒有發(fā)生太大的改變,地殼底層大熱氣洞仍能形成,能夠重新聚集大量的熱氣體,經過一段時間的氣體能量積累以后,熱氣的膨脹力又可能沖破原火山口,重新噴出熱氣體和巖漿,此火山就變成活火山。相反,就是死火山。
2.3 現代火山的分布
對火山分布的考察,必須考慮前面所述的火山爆發(fā)的三個條件,前兩個是火山孕育的條件,是火山形成的內在因素,也是考察火山理論分布必須的參考因素;后一個條件是火山最終噴發(fā)的外在因素,分析火山實際分布時必須加予考慮。火山的分布可分為理論分布區(qū)和實際分布區(qū),理論分布區(qū)指的是從理論上說,火山威脅仍存在但很可能不再噴發(fā)火山的區(qū)域;實際分布區(qū)指的是火山威脅存在并一定會噴發(fā)火山的區(qū)域。
2.3.1現代火山的理論分布區(qū)
地球表面上凡是大高原或大山脈的地區(qū)都屬于火山的理論分布區(qū),因為大高原或大山脈地區(qū)都孕育著火山,都應該噴發(fā)火山,歷史上這些地方曾經是火山的多發(fā)地,現在,由于地殼地層太厚,準備噴發(fā)火山的大熱氣泡的膨脹力最終無法打通一條從地殼底層到地面的通道而噴發(fā)火山,至多只能噴發(fā)溫泉而已。
2.3.2現代火山的實際分布區(qū)
有長山脈,地質運動較活躍,海拔較低的地區(qū),是火山實際分布的地區(qū)。具體來說,火山實際分布的地區(qū)有:
第一,因大陸旋臂陸地西移運動而引起地質較活躍的大西洋西部地區(qū)和太平洋中部地區(qū);第二,因南北半球大陸都向北半球北緯30 度左右地區(qū)移動集中而相互推擠的南北大陸的中間地帶,即加勒比海地區(qū)、印度尼西亞地區(qū)和地中海地區(qū)。
3 地下熱氣與喀
斯特地下溶洞和山洞的形成
3.1 地下溶洞和山洞的成因
地下溶洞和山洞并不是水的融蝕或侵蝕的結果。而是,在地球表面厚厚的熱巖漿層冷卻凝結成巖石的過程中,某些仍留在巖漿里的氣態(tài)物質被壓成大小不同的各種氣泡,巖漿層冷卻成巖石層后,這些氣泡所在的地方就成了地下溶洞或山洞。
3.2 地下溶洞和山洞形成的幾種情況
就地球形成的早期來說,喀斯特地下溶洞和山洞的形成有以幾種情況:
第一,地球表面的巖漿層因與其表面的物質發(fā)生反應耗熱和向外空間散熱而逐漸冷卻,變成巖石層,在此過程中,巖漿層釋放出來的氣體物質沒有被散發(fā)出去而留在巖漿里形成氣泡,巖漿冷卻后,有氣泡的地方就成了地下溶洞或山洞;
第二,正在巖石化的地球表面巖漿層的下面是流動著的高熱巖漿流體,高熱流體釋放的各種熱氣體物質和同其表相接觸的其他氣體物質發(fā)生反應生成的各種熱氣體化合物質,在高熱流體強大的熱力的推動下,向外推動著正在巖石化的地球表面層,并穿過地球表面層向外散發(fā)。在這過程中,有的熱氣體散到了地面上,有的熱氣體沒有被散發(fā)出去,而是留在正在巖石化的巖漿中形成各種大大小小和各式各樣的氣泡,巖漿冷卻成形后,這些氣泡所在的地方就成了各式各樣的地下溶洞;有部分熱氣體在推動地球表層的過程中,在正在巖石化的巖漿層里的孔洞或拱洞中聚集,形成大氣泡,這些大氣泡不斷得到下面高熱氣體層釋放的高熱氣體和熱量的補充,不斷向周圍膨脹和擴大,當其積累了足夠多的熱氣體和熱能,使其產生的膨脹力能夠沖開一條或多條通道到達地表層時,大氣泡里的高熱氣體就順著這此通道沖出地表層,其后處于高壓狀態(tài)的高熱巖漿也跟隨其后噴涌而出,形成火山,噴涌出來的巖漿在地面堆成山,冷卻后就成了巖石山,如果巖漿里的氣體物質沒有被釋放出來,氣體就在巖漿里形成氣泡,巖漿冷卻后就成了巖石山的山洞,這就是山洞的形成過程; 第三,有的已經沖開了一條或幾條通道準備爆發(fā)火山的大氣泡,后來沒有力量沖破地表層形成火山的,地表層冷卻成巖石層后,這個大氣泡和它沖開的通道就成了大溶洞和延綿幾公里甚至幾十公里的地下溶洞通道。正在巖石化的巖漿中熱氣泡多的地方,有的擠在一起,有的合成較大的熱氣泡,冷卻后這些熱氣泡所在的地方就變成了地下溶洞群。
以上就是地下溶洞和山洞形成的原因。現代玻璃器皿工業(yè)從側面證明了這個過程的正確性,玻璃器皿的主要原料是巖石,即某些巖石按一定的比例組成,經過燒煮成熱巖漿,然后用金屬管往一定量的巖漿球里吹氣,就能制成各種各樣的空心玻璃器皿,地下溶洞與山洞的形成與玻璃器皿的空心的形成原因是同一個道理。
4 地下熱氣與大地震的形成
4.1 大地震的源頭
大地震的源頭是地層深處含有各種熱氣體的大熱氣泡,沒有形成火山轉而引發(fā)大地震。
4.2 大地震的形成
大地震的形成主要有兩種,一是地下大熱氣泡在膨脹擴大中發(fā)生爆炸而產生大地震;二是地下大熱氣泡在降溫收縮的過程中,大熱氣泡上面的巖石層拱頂坍塌發(fā)生爆炸而產生大地震。
4.2.1大熱氣泡的膨脹爆炸
地殼下面高熱巖漿流體層不斷向其外面散發(fā)熱量,并與周圍的氣體物質進行各種熱反應生成高熱氣體,在強大熱力的推動下,高熱氣體向上推動正在巖石化的軟巖石層而在其中形成熱氣泡,或在因巖石層運動形成拱洞的地方聚集形成熱氣泡,下面活躍的高熱巖漿流體生成的各種高熱氣體不斷充實這些已形成的熱氣泡,并繼續(xù)加熱,使其不斷地向周圍膨脹,擴大空間,經過長期的積累,或多個熱氣泡合并,最終形成具有巨大能量的大熱氣泡,大熱氣泡里的氣體很多是易燃易爆的各種氣體化合物,并處于高熱高壓狀態(tài),使得大熱氣泡就像一個大火藥庫,準備向地面繼續(xù)擴張噴發(fā)火山。但是,由于一些因素影響,沒有爆發(fā)火山之前就發(fā)生爆炸,造成地面大面積山體坍塌,形成大地震。
在大熱氣泡膨脹時期發(fā)生爆炸引起大地震的這種情況并不多,主要發(fā)生在地殼的深層部位,這種情況不是大地震的主要形式。
4.2.2大熱氣泡的巖石層拱頂的坍塌爆炸
準備噴發(fā)火山的地下大熱氣泡,由于地熱的消耗,即高熱流體物質不斷向外散熱而使地層溫度逐漸降低,原來的高熱巖漿流體層隨著溫度的逐步降低而相應地巖石化,大熱氣泡的洞壁也因巖石化而逐漸固定下來,泡里的高熱氣體也因周圍溫度的逐漸降低而相應地降低,其受到來自下面的熱量和熱氣的補充也在逐漸減少,使大熱氣泡里的熱氣膨脹力大大減小,從而使本來要發(fā)生火山的大熱氣泡逐漸轉變成引發(fā)大地震的大熱氣洞。
當大熱氣泡的拱頂巖石層對壓力的承受力加上泡里熱氣體的膨脹力等于其上面的地層的壓力時,地殼處于平衡狀態(tài)之中,相反,當大熱氣泡的拱頂巖石層對壓力的承受力加上泡里熱氣體的膨脹力小于其上面的地層的壓力達到一定的程度時,大熱氣泡的拱頂上的巖石層就會斷裂,坍塌入泡中,引起熱氣爆炸,造成地震。
具體來說,大熱氣泡拱頂的巖石層對壓力的承受力、氣泡里熱氣體的膨脹力和氣泡上面地層的壓力,這三個力中,氣泡里熱氣體的膨脹力是最大的變量,它的變化是大熱氣泡拱頂巖石層是否發(fā)生坍塌的關鍵因素。例如,當大熱氣泡為爆發(fā)火山而準備的時候,氣泡里的氣體溫度高達幾千甚至上萬攝氏度,經過較長時間的演化,地熱的消退,大熱氣泡周圍的地層與泡中氣體的溫度降到300----500攝氏度時,泡里熱氣體的膨脹力就大大減少了。當大熱氣泡的拱頂巖石層對壓力的承受力加上泡里熱氣體的膨脹力小于其上面的地層的壓力達到一定的程度時,由于地殼地質運動等一些誘發(fā)因素影響,使大熱氣泡拱頂上的巖石層發(fā)生斷裂,坍塌入泡中,泡內處于高壓的大熱氣團突然受到上面厚厚地層坍塌的強大壓力的沖擊,引發(fā)大熱氣團的強烈大爆炸,造成大地震(大熱氣泡里處于高壓的由各種氣體混合而成的易燃易爆的大熱氣團,雖然溫度已降到幾百攝氏度,仍然像個巨大的火藥庫,具有相當巨大的能量)。
這種大地震一般發(fā)生在地殼的中部或中上部位,是大地震的主要形式。
4.3 余震的產生
處于地層深處的大熱氣泡,其中大熱氣團的爆炸也沒能沖開上面厚厚的地層,只造成地層更大面積的坍塌,爆炸的熱氣團有一部分氣體因爆炸而從坍陷的巖層斷裂帶的縫隙間噴出,或被分散到被炸松的泥土層中。但大部分的熱氣體被因爆炸而陷落的更大量的坍塌物蓋壓住,縮成高壓熱氣團,高壓熱氣團在強大的壓力沖擊下,又發(fā)生爆炸,幾經反復,從而形成多次較大的余震;有的引起大地震的大熱氣泡周圍也有較大的熱氣泡,大地震的爆發(fā)的強大沖擊力使其周圍的較大的熱氣泡也受影響而發(fā)生爆炸,引發(fā)新地震,形成所謂的余震;有的余震是被炸斷的巖石層進行重新調整位置而形成的。
4.4 大地震的分布
大地震是由孕育火山的大熱氣泡轉變過來的,火山的理論分布區(qū)也就是大地震的分布區(qū)。
具體來說,地面上凡是有大高原或大山脈的地區(qū),都是大地震的分布區(qū)。
4.4 天坑或“隕石坑”的產生
某個地面向下坍塌而出現的大井坑,謂稱天坑,也可稱之微型地震。天坑產生的原因是,地熱因不斷散耗而向地心退去,使地熱氣向上的推動力減弱,對液體層的液體物質的推動力也減弱,造成地下水位、石油和天然氣儲藏位的下降,最直接的反應是,地下水位的下降,使原儲存地下水的充滿孔隙的疏松的土層因缺水而出現空洞和能游動的軟泥土,引起上面土塊下陷彌補地下空間而出現天坑。
月球表面上坑坑洼洼的“隕石坑”并不是真正的隕石坑,即不是隕石撞擊而形成的坑,實際上,就像地球上的天坑,是月球地面的地塊向下坍塌而成。其原理與地球上的天坑的發(fā)生一樣,都是由地熱向地心退縮,地熱氣向上的推動力減弱而引起。在月球上,不僅只是地下水位、石油和天然氣儲藏位下降,并且,地上的湖、河、海的水全部退縮到月球的地殼里面,造成地面無水。月球的今天就是地球的明天。
5 結語
紛繁多變的地質活動和現象,都是地下熱氣發(fā)生作用的結果,地下熱氣的消長是地球地質運動和變化的主要原因。地球地質的運動,如地殼的地質構造、火山、地下溶洞和山洞、大地震等地質運動,地下熱氣都直接參與其中,沒有地熱氣的作用,就沒有這些現象的發(fā)生。地熱氣的耗散是地球與其外宇宙進行物質能量交換的結果,地熱氣耗散的過程也是地球從生產、發(fā)展到消亡的不可避免的自然過程,當今,石油、天然氣和深礦石的大量開采,加快了地熱能的消耗,增速了地熱氣消耗的自然過程,地熱氣力量減弱增速,地殼的地層增厚的速度就變快,地球加快進入了一個火山減少而地震多發(fā)的時期。
參考文獻:
[1] 林學鈺等編著.現代水文地質學[M].北京:地質出版社,2005.
[2] 宋春青等編著.地質學基礎[M].北京:地質出版社,1996.
[3] 沈春康主編.大氣熱力學[M].北京:氣象出版社,1983.
[4] 賈月梅主編.流體力學[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.
[5] 馬宗晉等.1966 -1977 年中國九大地震[M].北京:地震出版社,1982,44.
[6] 耿慶國.旱震關系與大地震中期預報[J].中國科學,1984,7
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