一、全球海平面变化的原因
自1976年由联合国教科文组织实施的国际地质对比计划[其中第61项即“最后冰消半周期(大约15,000年来)期间的海平面变动”和第200项即包括“海平面变化物理模式”等]以来对于海平面变化的原因及变化的类型进行了大量研究,已提出了许多引起海平面变化的模式诸如(1)岩石圈的分异作用;(2)洋盆中充填沉积物,(3)造山期的地壳缩短;(4)海底扩张引起洋中脊的体积变化;(5)洋盆的干涸;(6)大陆冰盖的增减;(7)大地水准面的变化;(8)水圈体积的变化;(9)大洋水温的变化;(10)大气温度的变化;(11)垂向构造运动等;其中有些是影响海水体积变化的(6、8、9、10),有些是影响洋盆体积变化的(1—5、7、11);当然在地球历史时期引起海平面变化的因素是相互联系的、相互作用的,并不是孤立的起作用;其中起主导作用的原因有以下几种:
(一)大陆冰盖的增减与海平面升降
早在1841年C. Maclanen就指出:“如果冰川学家对于古代冰川大陆广泛扩张的假设是正确的话,当时的海平面一定比现在低数百英尺”;A. Penck1882年就推论冰期时冰川作用造成海平面下降至少达100米;1915年R. A. Daly讨论了珊瑚礁的冰川控制原理;这些理论为正确确立冰川与海平面升降关系奠定了基础。
大陆冰川体积的变化与海平面变化的关系实质上是固态水和液态水的体积转换问题,通过海水和冰川的密度(海水1.03克/cm3,冰川冰0.92克/cm3)可以进行定量计算。对于两者的关系布鲁姆曾经指出:冰后期古冰川体积变化曲线与海平面变化曲线近似平行,表明两个变化过程具有很好的相关性。深海氧同位素曲线也显示出大陆冰川形成、消融与海平面升降过程相对应。其机理为:随着冰期的到来,降雪量相对降雨量比例增加,凝结的雪转化为冰川冰,它们流回海洋的速度相当缓慢式停滞,以致大量的冰搁置在大陆上;同时冰期的到来使大量的水汽从海洋逸出形成冰雪和海冰,这样就造成了海平面下降;在间冰期气候温暖,原来陆地上的冰融化成水大量流入海洋,从而引起海平面上升。
在地球的发展历史中曾经发生了7次大的冰期,这充分证明了地史时期六陆冰盖的增减是引起海平面升降的重要因素。
(二)海底扩张洋中脊体积变化与海平面升降
Hallam等(1963)认为:海底扩张速率的变化将影响海平面升降。据Pitman(1978)研究:速率为6厘米/年的扩张洋中脊的体积是速率为3厘米/年的扩张洋中脊体积的3倍;在缓慢扩张期海平面降低,迅速扩张期则海平面升高。因为当海底板块扩张速度加快时,洋中脊体积变大,结果使海水溢出正常的海岸线而侵入到大陆内部,从而使海平面上升;当海底扩张速度变慢时,大洋中脊变冷收缩,海底下沉,海水从陆地退回到海盆中,从而使海平面下降。W. H. Berger等(1974)曾估计:海底扩张速度变化10%,并持续1,000万年要产生20米的海平面变化。总之,海底扩张引起了大洋中脊的体积变化,大洋中脊体积的变化进而引起了海平面的升降。
(三)板块的分裂与合并与海平面升降
一般地说,大陆板块分裂时期,海岭发育导致世界性的海侵;板块合并时期,超大陆形成伴随着世界性的海退。对于太古代以来古海平面变化与板块的数目(即板块的分裂与合并)的关系H. Abott(1986)进行了定量论证,首先他根据大洋面积和年龄的三角分布得出海水总体积V(t. T)为
其中C0为海底增长速率,从d(t)是描述水深偏离随海洋岩石圈年龄t变化的参数d0的函数项,正确描述洋中脊水深随岩石圈年龄变化需要二个dt函数项d1(t)=d0+at1/2 d0=2500米,a=350米/百万年1/2(适应于0 ~ 35百万年的大洋岩石圈),d2(t)=dr-be-t/τ dr=6400米b=3200米τ=62.8百万年(适应于35百万年-tm百万年的大洋岩石圈)。则地史中任一时期的海水体积和洋底深度之间的关系为
运用上述公式D. H. Abott模拟了海平面变化与地史时期中的板块分合之间的关系——全球海平面下降时期对应着板块的聚合即板块数目减少,全球海平面上升时期对应于联合古陆的分裂即板块数目的增多。
(四)海水的地下循环、海水性质变化与海平面升降
海洋作为一个开放系统与地球内部存在着水分循环和交流。由于地球内部水分加入海水体积在地质历史中不断增加,按照A. П. 维诺格拉道夫的估计:现代地幔水的加入导致洋面以1毫米/年的速度上涨,因此,在新生代(6500万年)由于地球内部水的加入海面应该升高65米。
J. Schofield首先研究了海水性质(温度、盐度密度)变化对海平面升降的影响。在海水性质不变的情况下,密度增大,海水体积缩小,则海平面下降,反之密度减小,海水体积增大,则海平面上升;温度对海平面的影响即为热胀冷缩的原理,据推算,当全球海水的温度升离1°C海平面大约可升高0.6厘米。盐度与海水的密度成函数关系,据估计,如果全球的海水盐度从35%减少到34.9%,全球的平均海平面要上升1.9厘米,由上可知海水的地下循环和海水性质的变化是影响全球海平面变化的一个基本因素,但其所造成的效应比较小。
(五)地球重力场 - 地球自转 - 地轴倾角 - 地极移动等变化与海平面升降
大洋表面乃是反映重力趋势的水准面,这就意味着水趋势面上的所有点重力相等。当地表和地球内部出现物质再分配时重力场将发生变化,这样大洋水体不得不通过洋面的波动的调整来适应重力趋势的变化。
在地球自转过程中,当旋转速率减小时便要求物质沿旋转轴方向运动,以缩小赤道和两极之间慢性矩的差异Ю. A. 塔拉卡诺夫通过计算得出:地球旋转速度变慢应当引起赤道洋面以1厘米/百万年的速度下降;极地地区以3厘米/百万年的速度上升。
地轴倾角的变化引起地核/地幔交界面的运动,从而引起地磁场及大地水准面形状的改变,进而引起海平面升降变化。地极移动是地球质量重新分配的结果,质量的分配必然引起大洋重力趋势面发生调整而使海平面发生升降。
(六)温室效应与海平面升降
温室效应是由于 大量的二氧化碳,氯氟烃和氧化亚氮等气体向大气中释放而造成的地球表面温度升高的效应;其具体表现:地球吸收到太阳照射的可见光后会向大气放射出它所吸收到的红外辐射热,其中一部分随即被大气中的上述温室气体吸收从而使大气温度升高;另外,由于大量的温室气体使大气臭氧层遭到破坏,使得地球表面的热散失受到阻止,温室效应的结果使地球上南北两极冰层融化从而导致海平面上升,这已被现代的事实所证实。在地球发展到特定阶段(如构造运动、火山活动剧烈阶段),从地球内部释放出来大量的CO2、NO、H2S、H2O等气体无疑会引起地球表面温度上升从而引起海平面上升。当地球在宇宙空间中的某一平衡条件被破坏(如地球的宇宙轨道发生变形等)地球表面的温室效应消失,则海平面下降。
总而言之,影响全球海平面升降的原因很多,这些因素相互联系相互作用;大陆冰盖的增减与温室效应有关,同时会引起海水循环和海水性质变化,所以大陆冰盖增减 - 海水的地下循环 - 海水性质 - 温室效应存在着本质上的相互联系;海底扩张洋中脊体积变化与板块分合有关,而板块运动伴随着地球重力场,地球自转,地极移动等变化,因而上述之间也是密切相关的。因此,在研究全球海平面升降时不能孤立看待某一因素,应从宇宙大系统和地球小系统统一研究才能得出正确结论。
二、研究意义
综上所述,地球历史中引起全球海平面变化的因素繁多,对于这些因素的研究具有重要的意义。
第一,对建立全球性海平面升降周期具决定意义。自1979年Vail首先建立全球性海平面升降曲线以来,对此一直进行着激烈争论,争论的原因是由于不同学者对引起全球海平面升降的原因持不同意见。所以加强全球性海平面升降原因的研究乃是解决上述争论的前提。
第二,是建立全球统一的海平面升降模式的先决条件。如上由于不同学者所持观点不同,因而所建立的全球海平面升降模式不一;但作为地球一个系统来说应统一于一个全球统一模式,而这一模式的建立必须依赖于对引起海平面升降变化的各种参数的研究。
第三,对解决地球演化史具有重要意义。全球海平面变化的研究直接涉及到板块构造、地壳运动、地壳均衡作用和沉积作用等问题;同时还涉及到宇宙空间中各种行星之间的相互作用和相互运动规律等问题,所以通过对全球海平面升降原因的研究对解决地球演化史具重要意义。
第四,对预测矿产分布规律具指导意义。作为地球上巨大的物质储集库的海洋,在其中存在着各种各样的有用物质,在地球演化过程中逐渐形成了矿床;从海岸到海盆地由于环境物化条件不同,在不同地带形成不同的矿床,即从海岸到深海盆地具有不同的成矿带,所以对全球海平面升降变化的研究所建立的海平面曲线可用来指导预测不同地质时代矿床的空间分布规律。
三、结 语
海平面作为地球表面的物质平衡面、能量平衡面和环境平衡面,它的变化是由一系列原因引起的,正是由于这些复杂的原因决定了其研究的复杂性。全球海平面变化的研究对于研究宇 - 地宏大系统、地球大系统、海洋 - 大气小系统、水圈子系统,海洋微系统等具有重要的理论和实际意义;所以,我们庐从复杂性中找出统一性,使全球海平面变化理论日趋完善。