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[小科普：随我看地球-VI(下集)]
-引起南极”末日冰川”的元凶究竟是什么？
中华新闻网 2022-02-18 23:10
中华新闻社多伦多电（记者 马淼） 为此，我想借此机会尝试讨论一下“思韦茨末日冰川”的融化与地慢热流(或热流通量- Geothermal Heat Flux)关系的可能性. 众所周知，南极洲被一3,000公里长，4,500米高的横贯南极山脉(Transantarctic Mountains)分割为东部和西部南极. 不像东部南极，西部南极的地质构造相当复杂. 自上世纪50年代以来一直被认为是一个面积广阔的张裂谷，地壳较为脆弱，尤其晚白垩纪以来受板块扩张的影响，地壳张裂且薄化，容易形成火山和地震．
南极洲横贯山脉(Transantarctic Mountains)的走向和张裂谷(粉红色)
2021年, 德国地质学家Ricarda Dziadek等人用航空磁测的方法对西部南极的思韦茨冰川底部岩石进行了地热方面的研究(Ricarda Dziadek, Fausto Ferraccioli & Karsten Gohl, Nature: Communications Earth & Environment, 2021, no. 162). 他们利用地球物理数据分析西部南极洲阿蒙森海区的地热热流. 通过新的磁异常网格汇编的居里深度(Curie Depth)分析，揭示了岩石圈热梯度的变化. 他们发现居里深度在10到18 km之间, 580oC等温线向瑟斯顿岛(Thurston Island)下降. 在思韦茨和鲍柏(Pope)冰川集水系统的中部, 居里等温线出现在12-16公里的浅层深度, 并一直向阿蒙森海湾陆架(Amundsen Sea Embayment shelf)延伸. 更浅的580oC等温线位于伯德(Byrd)冰下盆地和本特利(Bentley)冰下海沟的西南部. 松岛张裂带(Pine Island Rift)没有显示出明显的居里深度异常，但表明东部有浅层热异常. Dziadek等人还注意到, 浅层的居里深度分布与火山中心有很好的相关性，这进一步表明了地壳热流的升高.
该项研究测得地热热流范围在50-230 mW/m²（Ø = 86 mW/m2)之间. 正常的大陆地壳地热为65mW/m2, 而大洋地壳为103mW/m2. 很明显，思韦茨地区的地热要高于正常洋壳一倍以上. 在大部分思韦茨和鲍柏冰川集水区和排水区之下, 有一条高地热热流带在伯德冰下盆地和本特利冰下海沟的西南侧伸展，并一直延伸到阿蒙森海湾中部和内部陆架. 他们指出，特别是快速后退的思韦茨和鲍柏冰川都位于地热热流大幅升高的区域之上. 这与该地区西部南极裂谷系统的构造和岩浆历史有关. 他们还强调，南极西部冰盖这一脆弱区域的行为与下方岩石圈的动态密切相关. Dziadek等人还绘制了该区的火山和居里深度分布图. 由下图可见，此区的火山还是比较频繁的，在裂谷区居里深度也较浅， 一般为地表以下12-10公里．
地图显示基床海拔高度, 西部南极裂谷系统(WARS))的裂谷肩，火山位置(红点. 置信度因子为4或更高). EWM = Ellsworth-Whitmore山脉、ASE = 阿蒙森海湾、MBL = Marie Byrd大陆. 红虚线为裂谷脊 (Dziadek等人，2021)
居里深度(Zb公里)分布和火山中心(火山置信度因子为4或更高)， 说明火山区域内居里深度较浅. BSB = Byrd冰下盆地、BST = Bentley冰下海沟、FR = Ferrigno裂谷、PIR = Pine Island裂谷 (Dziadek等人，2021)
2014年，Dustin Schroeder等人对西部南极冰川之下的地热热流进行了研究, 并指出：思韦茨冰川地区的最小平均地热通量约为114 ± 10 mW/m2，高通量区域超过200 mW/m2，这与裂谷的岩浆迁移和火山作用一致. 思韦茨冰川有一向陆倾斜的基床延伸到西部南极冰盖(WAIS)的内部深处，使其成为快速冰川消融中的主要组成部分. 此外，思韦茨冰川也位于西部南极裂谷系统内，是一个潜在的, 可以被重新激活的低地势的内陆延伸带.此区白垩纪和新生代裂谷造成的地壳变薄也可以导致地热通量的升高. 鉴于其集水区的特点，思韦茨冰川下的异质(heterogeneous)地热通量可能是影响局部、区域和大陆范围的冰盖稳定性的重要因素(Evidence for elevated and spatially variable geothermal flux beneath the West Antarctic Ice Sheet. PNAS June 24, 2014, v. 111, no. 25).
除了裂谷和火山之外，从罗斯海西边一直向东到南极半岛的顶端，沿着西部南极洲边缘广泛存在着地震(如下图所示)，而且近期有活跃的趋势. 此外, Yahoo新闻2020年12月16日报道，智利國家地震中心主任巴力托斯讲，科学家最近在南极半岛顶端的南瑟特兰岛测到不寻常地震数据，从2020年8月底到12月初，短短3个多月，该岛发生了3万2千次地震，数量惊人, 说明这里的地质构造有活跃的趋势.
西部南极洲边缘地震分布图
特别值得一提的是，2020年, Artemieva和Thybo 的研究表明，在整个西部南极洲西海岸，板块俯冲活动一直活跃到白垩纪中期，之后向南极半岛尖端逐渐停止. 所以他们认为整个南极洲西部是一个弧后盆地系统，两侧是火山弧，类似于今天的日本海, 而不是六十年以来传统解释的大陆裂谷系统(Continent size revisited: Geophysical evidence for West Antarctica as a back-arc system. Irina M. Artemieva & Hans Thybo, ScienceDirect: Earth-Science Reviews, March 2020, vol. 202). 众所周知, 板块俯冲带的地壳也是相当不稳定的，例如太平洋四周的俯冲带火山地震长年不断. 然而，对于思韦茨末日冰川而言, 无论是裂谷系统还是俯冲带, 其暖化地壳的功能是类似的. 根据Van Wyk de Vries等人的研究发现此区共有138座火山，其中91座是新发现的, 而且不乏有活火山存在(Maximillian van Wyk de Vries等, Geological Society, London, Special Publications 461 (1), 231-248, 2018).
另外推测，由于裂谷地壳长期遭受上覆巨厚冰川的压迫，导致本来就不太稳定的地壳变得更为活跃而激发(或重新激发)热液上涌形成冰下温泉(Hot Springs)和间歇喷泉(Geysers). 地球上的温泉和间歇喷泉可谓星罗棋布，如小小的冰岛温泉就有799处(活火山才40-50座)，台湾温泉128个(火山才20座),中国如按水温大于25℃起算就有4000多个(火山600座), 南极欺骗岛也有多处温泉喷涌. 这些可以说明温泉的数量在同一地区可以远远超过火山. 由此可推, 具有火山138座的西部南极裂谷存在温泉和间歇喷泉的可能性极大. 根据冰岛,台湾和中国大陆的火山比例, 保守估计此区的温泉可能不下300处. 温泉和间歇喷泉对冰川造成的的直接伤害可能比任何其他热源都大. 这种局部性的冰下现象还很难被航测和卫星所发现. 有位美国教授最近说过, 迄今为止, 我们对南极冰下地貌知之甚少, 还远不如对火星地貌的认识. 这是一个令人遗憾但又难以企及的的短板.
南极欺骗岛(Deception Island)温泉
美国黄石公园温泉
综上所述，我们有理由推测思韦茨及其附近的冰川融化很大可能是由于超高温的地幔热液沿着地壳的裂隙和薄弱部位向上传输和渗透, 造成局部或区域性上的上部地壳变暖和局部温泉, 促使上覆冰盖的融化, 粘度降低，破碎和流动, 所以此区的火山, 地幔岩浆,热液和温泉的活动可能在冰川融化上起着重要的作用. 冰川底部变暖还会有助于巨大冰洞和冰湖的形成. Ricarda Dziadek认为这些地热热流(GHF)会提高底部的水饱和沉积物或冰川的内部温度而引起冰川的基底滑动(个人交流, 2022年2月7日). 另一方面, 温度较高的”内湖”水也可以破坏海底山和冰川之间的”熔合”点(即上面所说的钉点 - Pinning Point), 从而从内部打通与外部大洋之间的联系，导致大洋温水涌入，梭巡于冰川底部，甚至形成小型环流.
需要特别指出的是, 大家可能疏忽了一个关键的问题，即灼热的地热和寒冷的冰川对温度之间的相互作用. 这有如我们手握一块冰，手的热量可以融化冰，冰也可以冷却手的温度．我们不妨暂且给这种现象冠以一个名词：”手-冰效应(Palm-Ice Effect)”. 由于冰水沿着地壳裂隙向下不间断的渗透，下伏的岩石温度必然会遭受冷却而下降, 而上覆冰川也同样会接收到来自地幔的能量. 在这种情况下, 我们实测到的温度，甚至是居里深度都可能会有偏差. 因此，这些实测值需要我们收集各种系数和变量通过数学模拟的方法加以校正, 以获得地热对冰川融化所消耗的真正能量.
鉴此，基本可以认为破坏思韦茨冰川的真正元凶极有可能是地热和火山，而大洋水的作用可能是第二位的. 地热和大洋暖流的相互作用也会导致西部南极洲的冰川越来越恶化. 另外，思韦茨冰川的融化和地热的活动和复活可能隐喻着将会有更大的地质事件，如火山，地震在中短期内发生，或会变得更加频繁. 这一模式目前乃是科学推测，这里也只是抛砖引玉. 然而，导致西部南极冰川崩陷的真正主因或元凶到底是地热还是大洋暖流可能还需要更进一步的多学科的综合调查研究才能被揭开和证实. 随着2020-2021年Dziadek等人细致的地球物理工作，我们对地下热流的认识有了一个很好的开端. 无论如何，我认为本文提出的模式不仅可以较好地解释以上所及的六点疑问，而且明白了为什么塌陷融化的冰川和张裂谷及火山地震有明显相关.
另外，今年1月13日，Erin Pettit教授带领了一支由32名科学家组成的考察队在一艘美国研究船上开始一项为期两个多月的考察任务，以调查正在融化中的思韦茨冰川区域，估算其可能最终因大洋温水导致的冰损耗和海平面上升的可能幅度，期待他们为我们带来更多的惊喜和发现.
注：未加说明的图片来自网络.
鸣谢：作者特别感谢李石泉先生对本文细致入微的审阅和专业性的商讨和建议， 同时也非常感谢赵培宏先生，德国Bremen大学教授Ricarda Dziadek和美国俄勒冈大学教授Erin Pettit对本文提供的宝贵意见.
南极洲横贯山脉(Transantarctic Mountains)的走向和张裂谷(粉红色)
2021年, 德国地质学家Ricarda Dziadek等人用航空磁测的方法对西部南极的思韦茨冰川底部岩石进行了地热方面的研究(Ricarda Dziadek, Fausto Ferraccioli & Karsten Gohl, Nature: Communications Earth & Environment, 2021, no. 162). 他们利用地球物理数据分析西部南极洲阿蒙森海区的地热热流. 通过新的磁异常网格汇编的居里深度(Curie Depth)分析，揭示了岩石圈热梯度的变化. 他们发现居里深度在10到18 km之间, 580oC等温线向瑟斯顿岛(Thurston Island)下降. 在思韦茨和鲍柏(Pope)冰川集水系统的中部, 居里等温线出现在12-16公里的浅层深度, 并一直向阿蒙森海湾陆架(Amundsen Sea Embayment shelf)延伸. 更浅的580oC等温线位于伯德(Byrd)冰下盆地和本特利(Bentley)冰下海沟的西南部. 松岛张裂带(Pine Island Rift)没有显示出明显的居里深度异常，但表明东部有浅层热异常. Dziadek等人还注意到, 浅层的居里深度分布与火山中心有很好的相关性，这进一步表明了地壳热流的升高.
该项研究测得地热热流范围在50-230 mW/m²（Ø = 86 mW/m2)之间. 正常的大陆地壳地热为65mW/m2, 而大洋地壳为103mW/m2. 很明显，思韦茨地区的地热要高于正常洋壳一倍以上. 在大部分思韦茨和鲍柏冰川集水区和排水区之下, 有一条高地热热流带在伯德冰下盆地和本特利冰下海沟的西南侧伸展，并一直延伸到阿蒙森海湾中部和内部陆架. 他们指出，特别是快速后退的思韦茨和鲍柏冰川都位于地热热流大幅升高的区域之上. 这与该地区西部南极裂谷系统的构造和岩浆历史有关. 他们还强调，南极西部冰盖这一脆弱区域的行为与下方岩石圈的动态密切相关. Dziadek等人还绘制了该区的火山和居里深度分布图. 由下图可见，此区的火山还是比较频繁的，在裂谷区居里深度也较浅， 一般为地表以下12-10公里．
地图显示基床海拔高度, 西部南极裂谷系统(WARS))的裂谷肩，火山位置(红点. 置信度因子为4或更高). EWM = Ellsworth-Whitmore山脉、ASE = 阿蒙森海湾、MBL = Marie Byrd大陆. 红虚线为裂谷脊 (Dziadek等人，2021)
居里深度(Zb公里)分布和火山中心(火山置信度因子为4或更高)， 说明火山区域内居里深度较浅. BSB = Byrd冰下盆地、BST = Bentley冰下海沟、FR = Ferrigno裂谷、PIR = Pine Island裂谷 (Dziadek等人，2021)
2014年，Dustin Schroeder等人对西部南极冰川之下的地热热流进行了研究, 并指出：思韦茨冰川地区的最小平均地热通量约为114 ± 10 mW/m2，高通量区域超过200 mW/m2，这与裂谷的岩浆迁移和火山作用一致. 思韦茨冰川有一向陆倾斜的基床延伸到西部南极冰盖(WAIS)的内部深处，使其成为快速冰川消融中的主要组成部分. 此外，思韦茨冰川也位于西部南极裂谷系统内，是一个潜在的, 可以被重新激活的低地势的内陆延伸带.此区白垩纪和新生代裂谷造成的地壳变薄也可以导致地热通量的升高. 鉴于其集水区的特点，思韦茨冰川下的异质(heterogeneous)地热通量可能是影响局部、区域和大陆范围的冰盖稳定性的重要因素(Evidence for elevated and spatially variable geothermal flux beneath the West Antarctic Ice Sheet. PNAS June 24, 2014, v. 111, no. 25).
除了裂谷和火山之外，从罗斯海西边一直向东到南极半岛的顶端，沿着西部南极洲边缘广泛存在着地震(如下图所示)，而且近期有活跃的趋势. 此外, Yahoo新闻2020年12月16日报道，智利國家地震中心主任巴力托斯讲，科学家最近在南极半岛顶端的南瑟特兰岛测到不寻常地震数据，从2020年8月底到12月初，短短3个多月，该岛发生了3万2千次地震，数量惊人, 说明这里的地质构造有活跃的趋势.
西部南极洲边缘地震分布图
特别值得一提的是，2020年, Artemieva和Thybo 的研究表明，在整个西部南极洲西海岸，板块俯冲活动一直活跃到白垩纪中期，之后向南极半岛尖端逐渐停止. 所以他们认为整个南极洲西部是一个弧后盆地系统，两侧是火山弧，类似于今天的日本海, 而不是六十年以来传统解释的大陆裂谷系统(Continent size revisited: Geophysical evidence for West Antarctica as a back-arc system. Irina M. Artemieva & Hans Thybo, ScienceDirect: Earth-Science Reviews, March 2020, vol. 202). 众所周知, 板块俯冲带的地壳也是相当不稳定的，例如太平洋四周的俯冲带火山地震长年不断. 然而，对于思韦茨末日冰川而言, 无论是裂谷系统还是俯冲带, 其暖化地壳的功能是类似的. 根据Van Wyk de Vries等人的研究发现此区共有138座火山，其中91座是新发现的, 而且不乏有活火山存在(Maximillian van Wyk de Vries等, Geological Society, London, Special Publications 461 (1), 231-248, 2018).
另外推测，由于裂谷地壳长期遭受上覆巨厚冰川的压迫，导致本来就不太稳定的地壳变得更为活跃而激发(或重新激发)热液上涌形成冰下温泉(Hot Springs)和间歇喷泉(Geysers). 地球上的温泉和间歇喷泉可谓星罗棋布，如小小的冰岛温泉就有799处(活火山才40-50座)，台湾温泉128个(火山才20座),中国如按水温大于25℃起算就有4000多个(火山600座), 南极欺骗岛也有多处温泉喷涌. 这些可以说明温泉的数量在同一地区可以远远超过火山. 由此可推, 具有火山138座的西部南极裂谷存在温泉和间歇喷泉的可能性极大. 根据冰岛,台湾和中国大陆的火山比例, 保守估计此区的温泉可能不下300处. 温泉和间歇喷泉对冰川造成的的直接伤害可能比任何其他热源都大. 这种局部性的冰下现象还很难被航测和卫星所发现. 有位美国教授最近说过, 迄今为止, 我们对南极冰下地貌知之甚少, 还远不如对火星地貌的认识. 这是一个令人遗憾但又难以企及的的短板.
南极欺骗岛(Deception Island)温泉
美国黄石公园温泉
综上所述，我们有理由推测思韦茨及其附近的冰川融化很大可能是由于超高温的地幔热液沿着地壳的裂隙和薄弱部位向上传输和渗透, 造成局部或区域性上的上部地壳变暖和局部温泉, 促使上覆冰盖的融化, 粘度降低，破碎和流动, 所以此区的火山, 地幔岩浆,热液和温泉的活动可能在冰川融化上起着重要的作用. 冰川底部变暖还会有助于巨大冰洞和冰湖的形成. Ricarda Dziadek认为这些地热热流(GHF)会提高底部的水饱和沉积物或冰川的内部温度而引起冰川的基底滑动(个人交流, 2022年2月7日). 另一方面, 温度较高的”内湖”水也可以破坏海底山和冰川之间的”熔合”点(即上面所说的钉点 - Pinning Point), 从而从内部打通与外部大洋之间的联系，导致大洋温水涌入，梭巡于冰川底部，甚至形成小型环流.
需要特别指出的是, 大家可能疏忽了一个关键的问题，即灼热的地热和寒冷的冰川对温度之间的相互作用. 这有如我们手握一块冰，手的热量可以融化冰，冰也可以冷却手的温度．我们不妨暂且给这种现象冠以一个名词：”手-冰效应(Palm-Ice Effect)”. 由于冰水沿着地壳裂隙向下不间断的渗透，下伏的岩石温度必然会遭受冷却而下降, 而上覆冰川也同样会接收到来自地幔的能量. 在这种情况下, 我们实测到的温度，甚至是居里深度都可能会有偏差. 因此，这些实测值需要我们收集各种系数和变量通过数学模拟的方法加以校正, 以获得地热对冰川融化所消耗的真正能量.
鉴此，基本可以认为破坏思韦茨冰川的真正元凶极有可能是地热和火山，而大洋水的作用可能是第二位的. 地热和大洋暖流的相互作用也会导致西部南极洲的冰川越来越恶化. 另外，思韦茨冰川的融化和地热的活动和复活可能隐喻着将会有更大的地质事件，如火山，地震在中短期内发生，或会变得更加频繁. 这一模式目前乃是科学推测，这里也只是抛砖引玉. 然而，导致西部南极冰川崩陷的真正主因或元凶到底是地热还是大洋暖流可能还需要更进一步的多学科的综合调查研究才能被揭开和证实. 随着2020-2021年Dziadek等人细致的地球物理工作，我们对地下热流的认识有了一个很好的开端. 无论如何，我认为本文提出的模式不仅可以较好地解释以上所及的六点疑问，而且明白了为什么塌陷融化的冰川和张裂谷及火山地震有明显相关.
另外，今年1月13日，Erin Pettit教授带领了一支由32名科学家组成的考察队在一艘美国研究船上开始一项为期两个多月的考察任务，以调查正在融化中的思韦茨冰川区域，估算其可能最终因大洋温水导致的冰损耗和海平面上升的可能幅度，期待他们为我们带来更多的惊喜和发现.
注：未加说明的图片来自网络.
鸣谢：作者特别感谢李石泉先生对本文细致入微的审阅和专业性的商讨和建议， 同时也非常感谢赵培宏先生，德国Bremen大学教授Ricarda Dziadek和美国俄勒冈大学教授Erin Pettit对本文提供的宝贵意见.
作者简介：章纪君，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年移民加拿大并进入哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。
1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。
出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。1987-2013, 在美国自然历史博物馆微体古生物出版社单人编译和合作编译20余本Ellis and Messina “Catalogue of Foraminifera”, “Catalogue of Ostracoda” and “Catalogue of Diatom”. 1995-2004年间担任过美国的“Marine Micropaleontology”杂志的审稿工作。
在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei).
出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上, 如美国的Palaios, Deep Sea Research, Marine Micropaleontology, Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Acta Oceanologica Sinica（中国）等.为利比亚绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇和若干外承(External）地质报告的审核工作.
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