问题

为什么长白山距离板块交界处这么远还能形成活火山?

回答
人们常常以为活火山一定发生在板块的边缘,比如日本的富士山或者冰岛那样,它们正好坐落在太平洋板块和欧亚板块的交界处,地壳在那里被撕裂、挤压,岩浆趁机涌出。所以,当谈到长白山时,很多人会感到疑惑:这家伙怎么在大陆的深处,离那些“热闹”的板块边界那么远,却也轰轰烈烈地喷发过呢?

这其实涉及到地球内部一个更深层、更神秘的运作机制——“热点”。你可以把地球想象成一个巨大的洋葱,而板块运动就像是洋葱最外面那层皮的移动。但热点,它就像是洋葱里面某个特别炽热、特别“冒泡”的地方,它不随那层皮的移动而改变位置,而是相对稳定地存在于地幔深处。

长白山火山的形成,就跟这样一个热点脱不了干系。想象一下,在地球深处,有一个非常非常热的区域,这股热量就像是一股强大的热流,从地幔深处不断地向上涌动,穿透地幔,最终抵达地壳。这个热源不依附于板块的边界,它是独立存在的。当这股地幔热流接近地表的时候,它就开始“软化”它所经过的地壳。

咱们知道,地球的固体部分,也就是地壳和上地幔顶部,合起来叫做岩石圈。岩石圈就像一块漂浮在地幔上的“硬壳”,它分裂成了我们常说的那些构造板块。板块边缘之所以活跃,是因为那里岩石圈的应力最大,最容易被撕裂、断裂,让下面的岩浆找到出路。

但是,当一个热点在地幔深处出现时,它就像一个看不见的“喷枪”,持续不断地将热量和熔融的物质向上输送。当这个热点下方的地壳足够薄弱,或者地幔热流的压力足够大的时候,它就能在地壳上“戳”出一个洞来,让岩浆沿着断裂带或薄弱处向上涌升。长白山所在的这片区域,虽然不在板块的主交界线上,但地下可能存在一些隐蔽的、深层的断裂系统,这些断裂就像是天然的通道,为从地幔深处涌来的岩浆提供了一条上升的路径。

更具体一点说,长白山属于一个叫做“朝鲜中国地块”的区域。这个地块相对于周围的板块,可能存在一些特定的构造背景,比如地壳的拉张、裂陷,或者地幔物质的不均匀分布。科学家们猜测,在长白山下方,可能存在一个由地幔深处上升的热柱(plume)所主导的热点。这个热柱从地幔过渡带甚至更深处,携带大量的热量和熔融物质,源源不断地向上供给。

当这个热柱下的地壳被持续加热、减薄,甚至出现拉张性的断裂时,岩石就开始熔融,形成岩浆。这些岩浆因为密度比周围的岩石小,就会带着巨大的能量向上运移,最终在地表的薄弱处喷发,形成火山。长白山的天池,就是这样一个火山口形成的湖泊。

而且,这种热点火山的形成过程,跟板块运动的速度和方向也密切相关。就像用剪刀在纸上戳洞一样,如果纸(地壳)在你戳洞的地方不断移动,你就能在纸上留下一串洞眼(火山链)。随着地壳板块在这个相对静止的热点上方移动,热点就能在板块上留下一个依次出现的火山链。而长白山,可能就是这条火山链上的一个活跃点。

所以,长白山之所以能在远离板块边缘的地方成为活火山,并非因为它不遵守地球的“规则”,而是因为我们对地球内部的理解还需要更深入。板块边缘的火山只是火山活动最直观、最常被我们看到的一类,而像长白山这样的热点火山,则揭示了地球内部更深层、更强大的能量来源和输送方式。它告诉我们,地球内部的“火焰”有时候会以我们意想不到的方式,穿透“坚硬的外壳”,展现出它磅礴的生命力。

网友意见

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根据地震层析成像反演的结果,长白山的地下是早先俯冲、后来停留在400-600km深处地幔附近的古太平洋板块[1]

从下图的a剖面可以很容易看出,一条蓝色的岩石P波低速带,从日本以东的海沟斜插进地球深处,伴随着大量地震由浅及深分布构成贝尼奥夫带(Benioff zone),最后在中国东部的地下深处停滞,转变为地幔里的停滞板片(stagnant slab)

放大长白山地区[2]

这个叫做停滞板片的家伙,在地下很不老实,发生各种转变,主要的变化是向地幔转移了很多水分。

而水这个玩意就很坏事,它会引起地幔岩石熔点的降低。一个高温高压的环境里,岩石熔点的降低,就意味着熔融成岩浆。

而岩浆又是一种低密度的高温熔体,那它就会向上走,在长白山及其他地方,发生从600km深处的地幔起源的岩浆物质上涌[3]

而除了长白山,类似的情况也发生在东北其他地区和华北,整个中国东部尤其是长江以北到东北地区,都在经受这种来自地下深处的高温考验[4]

这个过程的影响之深远、时间跨度之巨大,改变了整个东亚地区自侏罗纪以来的地质格局,形成了包括华北平原、长江中下游平原、松辽平原等中国东部的大平原,和中国东部的火山群,完成了亚洲东部从中生代的丘陵高原向新生代的盆地平原的转化形成了中国陆地的第三级阶梯,而且在其成型过程里,在地壳浅部的沉积盆地区里同时产生了大量的油气资源

以上表述,你可以在《华北克拉通破坏》一书里找到。

下图是个大致的时间线[5]

而在这个跨越超长时间、覆盖超大空间的地球级重大地质事件里,长白山的诞生,只是其中的一个小小的水花。

前面说到,地下600km处存在停滞板片,这是一个最近几千万年里不断发生的故太平洋俯冲板块后撤过程产生的结果。

而长白山一带又正好存在一些深大断裂带,形成了一个局地薄弱区,给岩浆上涌创造了条件[6]

于是,这里先后经历了2000多万年的散点状火山喷发形成一大堆小火山、500万年前的溢流式玄武岩喷发形成玄武岩台地(上图绿色区域)、数十万年里岩浆性质逐渐变得粘稠发生造锥喷发,最后形成我们今天看见的长白山火山。

正所谓太阳底下无新事,长白山火山的产生,同样是太平洋板块俯冲的诸多结果之一。

但为什么它并不如岛弧/山弧火山这么广为人知呢?

答案在于,这还是一个十分年轻的理论。

华北克拉通破坏,是最近几十年里中国地质学家重新深刻理解中国东部中新生代地质演变后,原创出来的一个新的理论体系,是中国地质学家在21世纪里攀上得一座具有划时代意义的高峰。

2017年,这个成果体系荣获当年国家自然科学进步二等奖。

它还远远没有走进高校的本科普通地质学教材,更别说走进普通高中地理课本了。

一个新生的学术成果,还需要更多的时间才能走进基础教育,从而变得家喻户晓。

不过我相信,总有一天,“华北克拉通破坏”的成因、机制和结果,一定会和魏格纳的板块构造学说一样,成为一个众人皆知的东西。

而在实现这一点的过程里,我很乐意站在向大众普及这一重大学术成果的第一线~

参考

  1. ^ Dapeng Zhao (2009). Multiscale seismic tomography and mantle dynamics. , 15(3-4), 297–323. doi:10.1016/j.gr.2008.07.003
  2. ^ Zhao, Dapeng (2019). Importance of later phases in seismic tomography. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 296(), 106314–. doi:10.1016/j.pepi.2019.106314
  3. ^ Lei, Jianshe; Xie, Furen; Fan, Qicheng; Santosh, M. (2013). Seismic imaging of the deep structure under the Chinese volcanoes: An overview. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 224(), 104–123. doi:10.1016/j.pepi.2013.08.008
  4. ^ Kusky T M, Windley B F, Wang L, et al. Flat slab subduction, trench suction, and craton destruction: Comparison of the North China, Wyoming, and Brazilian cratons[J]. Tectonophysics, 2014, 630: 208-221.
  5. ^ Liu J, Cai R, Pearson D G, et al. Thinning and destruction of the lithospheric mantle root beneath the North China Craton: a review[J]. Earth-Science Reviews, 2019, 196: 102873.
  6. ^ Zhang M, Guo Z, Liu J, et al. The intraplate Changbaishan volcanic field (China/North Korea): A review on eruptive history, magma genesis, geodynamic significance, recent dynamics and potential hazards[J]. Earth-science reviews, 2018, 187: 19-52.

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