摘要: 火山、地下溶洞和大地震的形成都因地下热气体的聚散而产生的。地下热气的存在使地壳形成时在地层中出现热气泡,岩层冷却凝结,其中的热气泡所在的地方变成了地下溶洞;热气泡膨胀扩张,冲出一条或多条从地壳底层到地表的通道,往地面喷出岩浆,就形成火山;热气泡降温收缩,造成热气泡上面的岩石层拱顶坍塌,引发热气爆炸而发生大地震。纷繁多变的地质活动和现象,都是地下热气发生作用的结果,地下热气的消长是地球物质运动和变化的主要原因。
关键词: 地下热气;地壳;热气泡;火山;地下溶洞;大地震
引言
空心玻璃器皿的制作过程说明了气可以改变和塑造热岩浆的形状,热岩浆内存在气泡可以使之冷却后形成中空,变成空心玻璃器皿,由此可以推知,地球的岩浆冷却凝结成山或岩石层时内中包裹着气泡,有气泡的地方凝固成形变成空洞,从而形成了现在的山洞和地下溶洞。推而广之,形成地震和火山的地下热气洞也是由热气的作用而产生的。热气的长消、聚散造成了地质的活动,生成了各种各样的地质现象。
1 地下热气与地壳的通孔结构的产生
1.1 高热气体的产生
高热气体的产生主要有两种形式:第一,当高热岩浆流体物质处于高热离子形态时,各种物质无差别地融为一体,当高热岩浆流体温度降到一定的程度,存在于高热流体的各种物质就会还原其气体形态而被释放出来,形成高热的气体形态;第二,地壳底层下面的高热岩浆流体同其外与之相接触的物质发生反应,或高热岩浆流体生成各种热气体物质之间发生反应,生成各种热气体化合物,形成高热气体形态。举例,地壳底层下面的高热流体从几万摄氏度降到一千摄氏度左右时,其中的如H、O、C、CL、S等物质就会还原其气体形态而被释放出来,这些物质之间或外面大气压压进来的物质与高热流体中的物质在高温中又进行化学反应,生成其他化合物如H2 O、CO2、N2、HC、HCL、H2 S、HF等物质的气体形态。
1.2 地壳的通孔结构
地球原来是一个火球,构成地球表面的高热流体物质同外面与之相接触的气体物质发生反应消耗热量,并向外空间散发热量而逐渐冷却下来,凝结成坚硬的岩石层和较松软的土层相间的地壳。高热流体从地球表面向里一层层往下逐渐由外到里层层冷却,凝结成新的岩石层或土层,这些冷却下来的新的岩石层或土层共同构成了地球的地壳。此过程不断继续,地壳变得越来越厚。
岩石层和土层相间的地壳总体上是一个疏松的中间满是蜂窝状的小孔和小空洞,并呈立体网状相连的结构状态、可以上下通气。这种构造形成的原因主要有以下两种:
第一,地壳下面正在冷却凝结转变成岩层或土层的热流体层,其外是较冷的岩土层,其内是高热流体层,高热流体层的热量穿过正在岩土化的热流体层向外散发,遇到外面较冷的岩土层,一部分热又向内折回来形成对流,使热气对流在高热流体层与较冷的岩土层之间反复进行,夹在中间的正在岩土化的热流体层就像被蒸的馒头,中间形成满是蓬松的小孔立体网状结构的形状,可以内外通气,当其冷却凝结成岩土层以后,这种形状就固定了下来。
第二,正在岩土化的热流体中包含的气态物质没有被完全释放出来,在岩浆中形成大小不同的气泡,冷却以后,在岩土层中有气泡的地方就形成了大小不同的气孔、空洞,可以上下通气,地下岩溶洞与山洞也是这样形成的。
即便是纯粹的岩石层,虽然质地坚硬、结构紧密,其中间仍然有众多的小空穴和小缝隙,使气体能得以正常通行。
这些一层层冷却下来的有通孔结构的岩石层和土层共同组成了有通孔结构的地壳,地壳的通孔构造保证了地球内外的物质能量的正常交换。在地壳的长期演化中,由于地层的移动、推挤、抬升、变厚和火山爆发等多种原因,使地质变形,有些地方地层的通气功能被削弱,甚至丧失通气功能,但地壳的总体结构和通气功能不会有太大的改变。
2 地下热气与火山爆发
2.1 火山的成因
2.1.1火山爆发的基本原理
火山爆发的基本原理就是高压锅式的热气膨胀。
2.1.2火山形成的三个基本条件
火山形成的三个基本条件:一是地壳底层能够形成聚集热气体的大气泡或大拱洞;二是地壳底层大量高热气体在大气泡中的继续聚集和被加热,三是地壳从底层到表层的不同形式的通孔立体网状结构。
地壳底层空洞或拱洞的产生的几种情况:第一,地壳移动造成地壳底层被推挤,抬升而形成拱洞;第二,地壳底层岩浆凝结成固体岩土层时,因岩浆里面含有气泡而使凝结后的岩土层里存在空洞;第三,地壳底层下面的高热流体产生的热气体向上推动较疏软的地壳底层而形成拱洞。
各种热气体物质形态在地壳底层中形成很多热气泡,或在地壳底层的拱洞里大量聚集起来形成大热气泡,热气泡下面的高热流体不断向它增补热气体,并继续加热,使大热气泡不断继续扩大和膨胀,各种热气体混合构成的大热气泡就成为易燃易爆的、随时准备爆炸的火药库。
地壳的通孔结构,使在地壳底层的大空洞或拱洞里聚集的高热高压热气膨胀扩大空间变得较容易,并且,热气泡可以顺着地层通孔、裂缝、空洞不断地由里向外地面膨胀、推动、扩展,打通从地壳底层到地表的通道,最后,冲开地面喷出热气体和岩浆,形成火山喷发。
2.1.3火山的爆发
地壳底层下面的高热流体内含有的各种物质,如H、O、CL、C等气体形态被释放出来,逐渐推动地壳底层的软岩浆形成大热气泡,或在地壳底层的拱洞中大量聚集起来,形成大热气泡;另外,高热流体物质与其他物质进行化学反应生成各种化合物的气体形态,如H2 O、CO2、N2、HC、HCL等气体化合物,在孔洞聚在一起,形成混合热气泡。高热流体不停地的运动和进行化学反应,大量的各种热气体被不停地创造出来,不断得到加热和气体补充的热气泡向四周膨胀,扩大空间变成大热气泡,或多个小热气泡在膨胀扩大中合并成一个大热气泡,大热气泡顺着岩土层的裂缝或空穴不断向上伸展膨胀扩大,冲出一条或多条从大热气泡到地表的通道。地壳底层下面高热流体的加热和地壳的地层重量的压力作用下,大热气团处于高热高压的状态,当其能量的膨胀力积累到能顺着它已冲开的通道冲出地面时,高热气体就会从这个通道喷涌而出,大气泡下面受高压的热岩浆流体也跟随其后,喷出地面,这就是火山爆发。
2.2 不同时期火山的一些特征
2.2.1地球早期火山的一些特征
总体来说,地球早期的地壳岩土层比较薄,温度比较高,质地也比较软,韧性比较大,较容易弯曲,地壳移动时,岩土层受推挤容易弯曲而在底层下面也较容易形成拱洞。地壳底层下面的高热流体物质在运动中与其外面压进的物质进行化学反应,生成各种热气体物质,这些热气体在地壳底部形成很多热气泡,或在地壳底部的拱洞之中大量聚集成大热气泡,或多个小热气泡在膨胀中合成一个大热气泡,大热气泡向周围膨胀扩大,向上冲开较薄的地壳表层,热气与热岩浆从地下喷涌而出,向地面推积热岩浆,就形成了火山。
当时的地壳较薄,受压的热气泡容易冲开地壳表面,当热气泡冲开地壳喷涌而出时,下面的高热岩浆簇拥着热气一起喷出,堆集成山,冷却后成为岩石山。因此,此时的火山有以下明显的特征:火山持续的时间也较短;火山爆发很少出现反复喷气的现象;火山没有明显的火山口,一座火山就是一堆实心的岩浆,变成一座实心的山峰(含有气泡的岩浆,冷却后有山洞);地面温度较高,火山爆发非常频繁,大部分陆地表面都能爆发火山。
2.2.2地球现阶段火山的一些特征
现阶段火山的一些特征有:1)现阶段火山爆发的次数少,间隔的时间长。原因是:第一,现阶段地球内部的地热量已大大减少,地壳也大大增厚了,在地壳底层的拱洞里聚集的大量的高热气泡,积累足够的膨胀力来冲破厚厚的地壳岩土层,并不很容易;第二,厚厚的地壳岩土层的地质结构是一个有很多小通气孔和小空洞组成的立体网状结构,它有很多空间可以吸收和容纳很多高热流体释放或进行化学反应生成的热气体,对已形成的大高热气泡的膨胀力还有缓冲的作用,要形成强大的足以爆发火山的大高热气泡,需要较长时间的能量积累。
2)现阶段的火山有明显的火山口,山火爆发的持续时间较长。原因是,地下高热气泡顺着岩土层的裂缝、空洞或通孔,不断向上推动和扩展,冲出一条或多条从地壳底层到地表的通道,喷出热气体和岩浆,形成火山喷发。大量受高压的热气体和岩浆一起通过通道涌向火山口,一次只能有少部分气体和岩浆通过,受阻而滞留的大量气体和岩浆要经过长时间的多次反复喷发,才能喷完,火山才能停止。因此,火山喷发岩浆持续的时间较长。
火山爆发以后,如果地质结构没有发生太大的改变,地壳底层大热气洞仍能形成,能够重新聚集大量的热气体,经过一段时间的气体能量积累以后,热气的膨胀力又可能冲破原火山口,重新喷出热气体和岩浆,此火山就变成活火山。相反,就是死火山。
2.3 现代火山的分布
对火山分布的考察,必须考虑前面所述的火山爆发的三个条件,前两个是火山孕育的条件,是火山形成的内在因素,也是考察火山理论分布必须的参考因素;后一个条件是火山最终喷发的外在因素,分析火山实际分布时必须加予考虑。火山的分布可分为理论分布区和实际分布区,理论分布区指的是从理论上说,火山威胁仍存在但很可能不再喷发火山的区域;实际分布区指的是火山威胁存在并一定会喷发火山的区域。
2.3.1现代火山的理论分布区
地球表面上凡是大高原或大山脉的地区都属于火山的理论分布区,因为大高原或大山脉地区都孕育着火山,都应该喷发火山,历史上这些地方曾经是火山的多发地,现在,由于地壳地层太厚,准备喷发火山的大热气泡的膨胀力最终无法打通一条从地壳底层到地面的通道而喷发火山,至多只能喷发温泉而已。
2.3.2现代火山的实际分布区
有长山脉,地质运动较活跃,海拔较低的地区,是火山实际分布的地区。具体来说,火山实际分布的地区有:
第一,因大陆旋臂陆地西移运动而引起地质较活跃的大西洋西部地区和太平洋中部地区;第二,因南北半球大陆都向北半球北纬30 度左右地区移动集中而相互推挤的南北大陆的中间地带,即加勒比海地区、印度尼西亚地区和地中海地区。
3 地下热气与喀
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蚀或侵蚀的结果。而是,在地球表面厚厚的热岩浆层冷却凝结成岩石的过程中,某些仍留在岩浆里的气态物质被压成大小不同的各种气泡,岩浆层冷却成岩石层后,这些气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几种情况
就地球形成的早期来说,喀斯特地下溶洞和山洞的形成有以几种情况:
第一,地球表面的岩浆层因与其表面的物质发生反应耗热和向外空间散热而逐渐冷却,变成岩石层,在此过程中,岩浆层释放出来的气体物质没有被散发出去而留在岩浆里形成气泡,岩浆冷却后,有气泡的地方就成了地下溶洞或山洞;
第二,正在岩石化的地球表面岩浆层的下面是流动着的高热岩浆流体,高热流体释放的各种热气体物质和同其表相接触的其他气体物质发生反应生成的各种热气体化合物质,在高热流体强大的热力的推动下,向外推动着正在岩石化的地球表面层,并穿过地球表面层向外散发。在这过程中,有的热气体散到了地面上,有的热气体没有被散发出去,而是留在正在岩石化的岩浆中形成各种大大小小和各式各样的气泡,岩浆冷却成形后,这些气泡所在的地方就成了各式各样的地下溶洞;有部分热气体在推动地球表层的过程中,在正在岩石化的岩浆层里的孔洞或拱洞中聚集,形成大气泡,这些大气泡不断得到下面高热气体层释放的高热气体和热量的补充,不断向周围膨胀和扩大,当其积累了足够多的热气体和热能,使其产生的膨胀力能够冲开一条或多条通道到达地表层时,大气泡里的高热气体就顺着这此通道冲出地表层,其后处于高压状态的高热岩浆也跟随其后喷涌而出,形成火山,喷涌出来的岩浆在地面堆成山,冷却后就成了岩石山,如果岩浆里的气体物质没有被释放出来,气体就在岩浆里形成气泡,岩浆冷却后就成了岩石山的山洞,这就是山洞的形成过程; 第三,有的已经冲开了一条或几条通道准备爆发火山的大气泡,后来没有力量冲破地表层形成火山的,地表层冷却成岩石层后,这个大气泡和它冲开的通道就成了大溶洞和延绵几公里甚至几十公里的地下溶洞通道。正在岩石化的岩浆中热气泡多的地方,有的挤在一起,有的合成较大的热气泡,冷却后这些热气泡所在的地方就变成了地下溶洞群。
以上就是地下溶洞和山洞形成的原因。现代玻璃器皿工业从侧面证明了这个过程的正确性,玻璃器皿的主要原料是岩石,即某些岩石按一定的比例组成,经过烧煮成热岩浆,然后用金属管往一定量的岩浆球里吹气,就能制成各种各样的空心玻璃器皿,地下溶洞与山洞的形成与玻璃器皿的空心的形成原因是同一个道理。
4 地下热气与大地震的形成
4.1 大地震的源头
大地震的源头是地层深处含有各种热气体的大热气泡,没有形成火山转而引发大地震。
4.2 大地震的形成
大地震的形成主要有两种,一是地下大热气泡在膨胀扩大中发生爆炸而产生大地震;二是地下大热气泡在降温收缩的过程中,大热气泡上面的岩石层拱顶坍塌发生爆炸而产生大地震。
4.2.1大热气泡的膨胀爆炸
地壳下面高热岩浆流体层不断向其外面散发热量,并与周围的气体物质进行各种热反应生成高热气体,在强大热力的推动下,高热气体向上推动正在岩石化的软岩石层而在其中形成热气泡,或在因岩石层运动形成拱洞的地方聚集形成热气泡,下面活跃的高热岩浆流体生成的各种高热气体不断充实这些已形成的热气泡,并继续加热,使其不断地向周围膨胀,扩大空间,经过长期的积累,或多个热气泡合并,最终形成具有巨大能量的大热气泡,大热气泡里的气体很多是易燃易爆的各种气体化合物,并处于高热高压状态,使得大热气泡就像一个大火药库,准备向地面继续扩张喷发火山。但是,由于一些因素影响,没有爆发火山之前就发生爆炸,造成地面大面积山体坍塌,形成大地震。
在大热气泡膨胀时期发生爆炸引起大地震的这种情况并不多,主要发生在地壳的深层部位,这种情况不是大地震的主要形式。
4.2.2大热气泡的岩石层拱顶的坍塌爆炸
准备喷发火山的地下大热气泡,由于地热的消耗,即高热流体物质不断向外散热而使地层温度逐渐降低,原来的高热岩浆流体层随着温度的逐步降低而相应地岩石化,大热气泡的洞壁也因岩石化而逐渐固定下来,泡里的高热气体也因周围温度的逐渐降低而相应地降低,其受到来自下面的热量和热气的补充也在逐渐减少,使大热气泡里的热气膨胀力大大减小,从而使本来要发生火山的大热气泡逐渐转变成引发大地震的大热气洞。
当大热气泡的拱顶岩石层对压力的承受力加上泡里热气体的膨胀力等于其上面的地层的压力时,地壳处于平衡状态之中,相反,当大热气泡的拱顶岩石层对压力的承受力加上泡里热气体的膨胀力小于其上面的地层的压力达到一定的程度时,大热气泡的拱顶上的岩石层就会断裂,坍塌入泡中,引起热气爆炸,造成地震。
具体来说,大热气泡拱顶的岩石层对压力的承受力、气泡里热气体的膨胀力和气泡上面地层的压力,这三个力中,气泡里热气体的膨胀力是最大的变量,它的变化是大热气泡拱顶岩石层是否发生坍塌的关键因素。例如,当大热气泡为爆发火山而准备的时候,气泡里的气体温度高达几千甚至上万摄氏度,经过较长时间的演化,地热的消退,大热气泡周围的地层与泡中气体的温度降到300----500摄氏度时,泡里热气体的膨胀力就大大减少了。当大热气泡的拱顶岩石层对压力的承受力加上泡里热气体的膨胀力小于其上面的地层的压力达到一定的程度时,由于地壳地质运动等一些诱发因素影响,使大热气泡拱顶上的岩石层发生断裂,坍塌入泡中,泡内处于高压的大热气团突然受到上面厚厚地层坍塌的强大压力的冲击,引发大热气团的强烈大爆炸,造成大地震(大热气泡里处于高压的由各种气体混合而成的易燃易爆的大热气团,虽然温度已降到几百摄氏度,仍然像个巨大的火药库,具有相当巨大的能量)。
这种大地震一般发生在地壳的中部或中上部位,是大地震的主要形式。
4.3 余震的产生
处于地层深处的大热气泡,其中大热气团的爆炸也没能冲开上面厚厚的地层,只造成地层更大面积的坍塌,爆炸的热气团有一部分气体因爆炸而从坍陷的岩层断裂带的缝隙间喷出,或被分散到被炸松的泥土层中。但大部分的热气体被因爆炸而陷落的更大量的坍塌物盖压住,缩成高压热气团,高压热气团在强大的压力冲击下,又发生爆炸,几经反复,从而形成多次较大的余震;有的引起大地震的大热气泡周围也有较大的热气泡,大地震的爆发的强大冲击力使其周围的较大的热气泡也受影响而发生爆炸,引发新地震,形成所谓的余震;有的余震是被炸断的岩石层进行重新调整位置而形成的。
4.4 大地震的分布
大地震是由孕育火山的大热气泡转变过来的,火山的理论分布区也就是大地震的分布区。
具体来说,地面上凡是有大高原或大山脉的地区,都是大地震的分布区。
4.4 天坑或“陨石坑”的产生
某个地面向下坍塌而出现的大井坑,谓称天坑,也可称之微型地震。天坑产生的原因是,地热因不断散耗而向地心退去,使地热气向上的推动力减弱,对液体层的液体物质的推动力也减弱,造成地下水位、石油和天然气储藏位的下降,最直接的反应是,地下水位的下降,使原储存地下水的充满孔隙的疏松的土层因缺水而出现空洞和能游动的软泥土,引起上面土块下陷弥补地下空间而出现天坑。
月球表面上坑坑洼洼的“陨石坑”并不是真正的陨石坑,即不是陨石撞击而形成的坑,实际上,就像地球上的天坑,是月球地面的地块向下坍塌而成。其原理与地球上的天坑的发生一样,都是由地热向地心退缩,地热气向上的推动力减弱而引起。在月球上,不仅只是地下水位、石油和天然气储藏位下降,并且,地上的湖、河、海的水全部退缩到月球的地壳里面,造成地面无水。月球的今天就是地球的明天。
5 结语
纷繁多变的地质活动和现象,都是地下热气发生作用的结果,地下热气的消长是地球地质运动和变化的主要原因。地球地质的运动,如地壳的地质构造、火山、地下溶洞和山洞、大地震等地质运动,地下热气都直接参与其中,没有地热气的作用,就没有这些现象的发生。地热气的耗散是地球与其外宇宙进行物质能量交换的结果,地热气耗散的过程也是地球从生产、发展到消亡的不可避免的自然过程,当今,石油、天然气和深矿石的大量开采,加快了地热能的消耗,增速了地热气消耗的自然过程,地热气力量减弱增速,地壳的地层增厚的速度就变快,地球加快进入了一个火山减少而地震多发的时期。
参考文献:
[1] 林学钰等编着.现代水文地质学[M].北京:地质出版社,2005.
[2] 宋春青等编着.地质学基础[M].北京:地质出版社,1996.
[3] 沈春康主编.大气热力学[M].北京:气象出版社,1983.
[4] 贾月梅主编.流体力学[M].北京:国防工业出版社,2006.
[5] 马宗晋等.1966 -1977 年中国九大地震[M].北京:地震出版社,1982,44.
[6] 耿庆国.旱震关系与大地震中期预报[J].中国科学,1984,7
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