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幔汁学说中的地球五个气圈  

2017-09-30 17:53:58|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    本文原题为《地球的五个气圈和氢 烃资源—兼论气体地球动力学》,发表于《铀矿地质》1993年第5期。杜先生将原文中引证幔汁理论成立证据的十节全部删去,因为这些内容在此前几篇文章中已出现,不再重复。另外,还对文章进行了一定的修饰,增加了过渡性的语言。

 

/杜乐天

 

    至今人们的习惯性认识地球只有一个外层大气圈,这种看法已显陈旧,现在已经到了彻底加以修改的时候。我们认为地球至少存在五个气圈,它们自外向里或自浅到深顺次如下(图1)。

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1 地上气圈

    此即一般习称的大气圈,由N2O2CO2Ar等气体组成。此气圈呈全球性球面连续分布,是低压、低温、低密度气圈,可称为气圈I

2 上地壳气圈

    它们是不连续的,分布于地下或海面下数千米(大体为7000m以上深度),包括世界各陆上和海底的天然气、石油、煤成气、水合天然气(海底和冻土带)以及溶解于各种类型地下水、卤水中的气体,可称为气圈Ⅱ。其中除N2O2外在局部地方还有CH4CO2和较大分子的烃类(C7H16-C9H20,大体为石油成分),储存围岩主要是年青的沉积岩系(海相或陆相),少部分为结晶岩系。

    在此顺便提及,人们至今总把油气硬拉在一起而且把气放于油之后,给人错觉好像气只有从油、伴油而生。但实际上,地球上的天然气绝大部分并非从石油而来,它比石油分布范围和深度大得不可比拟,甚至可以说二者毫无关系。建议今后把气从油气混称中解脱出来,这对理论发展和今后找矿都很必要。

3 中地壳气圈

    此圈也可包括部分上地壳和下地壳。可称为气圈Ⅲ,分布于地下7000m以下到下地壳,纵横也不连续,重要成分是CH4及部分H2,赋存围岩是不同变质级别的变质岩和火成岩系,温度、压力、气体密度均远大于上述二气圈。在此气圈内拆离构造、大规模平缓推覆、滑覆、走滑断裂面及所夹持的岩片脆性裂隙网、各种交角的构造楔状体和褶皱虚脱等圈闭对气体的积聚和分布起着重要的控制作用。这是人类即将考虑开发的重要目的圈,它将会带来巨大的财富。

4 上地幔气圈

    此圈也即岩石圈屏蔽下的软流层(体),可称为气圈Ⅳ,埋藏深度、厚度、顶界面形态、起伏、气体浓度以及温度、压力、气体密度等又不同于上述气圈而呈超临界状态,密度极高并随大地构造单元而异。一个很大的特点是气体往往和局部熔融伴生。我们最近对幔源包体的研究表明此局部熔融事件是地幔气体引发的。储气围岩是二辉橄榄岩、方辉橄榄岩、榴辉岩等,气体主要是H2CH4和碱金属,可能还有热分解产物CHCH2CH3以及COCO23He等。深度在地下403O0km范围内。在地盾、古老克拉通此圈很不发育甚至缺失,而在活动区则充气饱满膨大到很浅处,气量巨大,是地幔流动、大地构造的动力因素。以前认为深度越大岩石越致密不可能充气是个误解。众多的作者和笔者最近所做的氚渗透和扩散实验结果都证明对于气体,在超高压下整个上地幔都完全可渗通(另文讨论)。

5 地核气圈

    称为气圈V,也可称氢圈。在液铁地核(外核)几百万巴压力下可溶解巨量的氢气,甚至形成固态氢(毛河光,1989)。

    大量地质、地球物理探测表明一个重要规律:上述五气圈上下彼此完全可以曲折相通而且储气量从圈I-V可天文数字加大。多年人们笼统认为地热是深部主要能源,现在看来气体是更重要的能源,因为地热、岩浆热等也是由深部气流的存在和热传导造成的。

    CH4或天然气不加分析地一概视为生物成因经不起推敲。如果把问题从相对于地球那极薄的生物圈中超脱出来放到地球范畴中考察就会发现此理论的偏执。笔者往年也属生物成因说的信奉者,然而面对越来越多的新发现、新进展不得不加以重新识别并预感此说似乎遇到麻烦。中外大量的研究新结果给我们以充分根据认为,地壳中的低速带和上地幔软流层(体)都是高压充气带。正是这种发自地核的强大氢气流运动以及低速带和软流层(体)中积聚的强大高压气流、气云的不平衡状态和相应的活动调整才是导致地壳上各种大地构造、岩浆作用、变质作用、热液作用的根源和决定因素。我们在1987年曾提出了幔汁在地球内部垂向上自深向浅的分带模式(图2)。

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    幔汁是HACONS化合物流体,H代表氢、卤素和热,A代表碱金属,C为碳,O为氧,N为氮,S为硫族(杜乐天,1987)。幔汁分3大类:氢型幔汁(H-HACONS),碱型幔汁(A-HACONS),氧型幔汁(O-HACONS)(杜乐天,1989)。从地核向外发射强大的氢流,在穿透下、中地幔后逐渐演化为H-HACONS(以氢、氢化物为主要流体成分形式);如能继续向上通过上地幔则逐渐演化为A-HACONS(以富碱金属和一系列不相容元素为特征,气相仍然以氢、氢化物为主,但局部出现较多的COCO2OH-);如再向上进入地壳中则幔汁将演化为O-HACONS,此时流体将混入大量地壳物质和地壳流体。在下、中地壳流体中化合物仍以CH4H2为主,向上到上地壳则部分转化为氧化物,例如H2OCO2N2也是氮化物的氧化态。

    为了醒目今把不同类型幔汁和各气圈作一对比(表1)。

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    总之,上述各气圈除气圈V外气体均来自幔汁。幔汁也是地球热、力和化学能传递的神经液。最近美国A.A.Meyerhoff1992)提出的一个新理论(surge tectonics)正好证明了幔汁的地球动力学功能。幔汁就是超临界甚至等离子态的高密度气体,有极大的活动性和穿透力,是地球上大地构造运动所需的力、热根源。

    我们应当抓紧实施国土深钻采气计划。如果步西方和苏联深钻计划后尘走他们的技术路线,那将既费钱又费时,甚至变得不可能,即使着手进行,也将会把计划执行拖得很长,渺茫无期。笔者近5年间曾注意搜集和查阅了苏、美、德、法、日、加等国家有关深钻计划资料,发现其整个的指导思想、工作阶段划分、钻探目标、选区等都存在一系列的问题。不仅费钱,其技术路线也不可取。我们必须另辟蹊径,还有比他们那些方案更适合我们国情更合理更快的设计可供选择。关键是要打地壳中的低速、高导、高热流体。我们有理由相信,虽然我们起步晚,但却有可能早到达,获得比他们更加诱人的结果。笔者坚信如果此举成功,不只为我们国家还为全人类带来重大的福音,我们正在努力之中。Ω

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