每年向长春方向移动4.2厘米!珠峰形成简史

前些天,珠峰高程测量启动的时候,央视说了一句:珠峰每年向长春方向移动4.2厘米。这一句在知乎上引发了剧烈的讨论:为什么珠峰会移动?
要了解这个问题,我们不得不从珠峰的形成开始说起。
课前小常识
要讲明白珠峰运动的问题,我们需要提前了解一个小常识,这就是板块运动。想必每一个人在小学或中学的地理课中都学到过气象学家魏格纳的故事,他最初发现了世界地图上各个大陆之间仿佛拼图一样能够拼合起来,这个学说叫做“大陆漂移”,在1912年被魏格纳提出来。
仿佛”拼图“一样的世界地图
在之后的几十年中,整个地质学界基本上没有人认可他的理论,那时候把持学界的是一些老派的地质学家,他们因循守旧,而且固执,他们认为大陆漂移学说荒诞至极,因为大陆这么巨大且沉重,没有什么力量能够让大陆移动。
魏格纳在饱受质疑中坚持着他的观点,为了证明他的观点,他多次赴格陵兰岛进行考察,终于在第四次考察过程中因病去世。
考察中的魏格纳 图/维基
1960年左右,在美苏争霸的冷战下,地球物理技术取得了很大的进展,这是一种能够探测海洋深处、地壳深处的技术。在美苏两国满世界跑,进行军事目的的探测活动中,板块运动理论出炉了[1]。
地球内部是这样的:
地球的三层结构
往地球内部走,物质的密度是越来越大的,也就是说,最上面这一层,我们人类生活的地壳密度是最小的。这样,就好像木板漂在水上一样,轻的地壳实际上是“漂”在地幔之上的
地幔中的物质,有一点类似于橡皮泥,这是一种塑性的物质,能够非常非常非常缓慢地进行运动。运动的动力是什么呢?热对流。地核深处的温度高达6000°,与太阳表面温度差不多,就好像是一个火炉子,在烘烤着上面的地幔物质。
来自于地核的热流加热地幔,让地幔“翻涌”
地幔物质在被烘烤的过程中,热的密度变小往上升,冷的密度变大掉下来(就好像吃火锅,火锅中心的位置温度最高,所以水最先开,开水会向上翻涌,这是一个道理)。
吃火锅的时候,放在火锅中心翻滚的开水之上的菜叶子会在开水的推力之下向边缘移动。地壳其实也很相似,地幔物质像开水一样“翻滚”了,必然会带动漂浮在地幔之上的地壳进行运动,而地壳也不是一个完整连续的物体,它们分裂成许多小的块体,这些就被成为板块。在地幔物质的带动下,这些板块被带动着进行运动,而运动的过程中难免会发生板块之间的相互碰撞,这就是板块运动的原理
板块运动的原理
沧海桑田
不做地质工作,实在是很难以对“沧海桑田”这四个字有感觉。最多的就是“哦,不就是山顶发现海螺,说明这个山原来是海洋嘛!”
但是如果我说,青藏高原,这一个平均海拔4500米、1/4个中国面积的世界最高高原原来是一片大海呢?
是的,这里曾经是一个海洋,名字叫做特提斯洋。特提斯有多大呢?横亘欧亚!地中海、黑海、里海、青藏高原一线都是特提斯洋的范围。
特提斯洋大致范围
故事要从恐龙灭绝那个时间段开始说起。6500万年左右,那时候恐龙正处于灭绝的边缘,印度与欧亚板块还没有接壤,但是原本宽广的特提斯洋已经在板块运动下变成了狭窄的海道。
6000万年前板块位置模拟 图/Christopher Scotese
在这个阶段,印度板块的洋壳部分以一种俯冲的姿态下插到欧亚板块之下(地壳分为陆壳和洋壳,大致来讲,海洋部分的就是洋壳,比陆壳要薄一些),这个俯冲的速度大约是每年20-16cm[2]。大约在5000万年前[3],印度洋板块洋壳部分俯冲完毕,印度板块开始了与欧亚板块的硬碰撞,这时候特提斯海道已经消失了。
板块俯冲示意图 图/worldatlas
5000万年前板块位置模拟 图/地质学家Christopher Scotese
关于青藏高原的形成时间,学术界里面还有很多争议[4]。不过大致的时间范围在7000万年-5000万年之间,也就是恐龙灭绝的前后。
印度板块与中国的碰撞,其实并不是像大家想象得那么天崩地裂,我们现代人过惯了快生活,习惯性地会把这些地质事件想的很快很快,但是需要告诉大家的是,在地质学里面,基本时间单位是百万年(Ma)。如果从人类老祖母露西算起,人类的出现也不过就是300万年左右,我们人类在整个地球历史上,只不过是眨眼的功夫。
人类在地球上出现的时间非常非常晚
现在太平洋板块也正在向欧亚板块和北美板块之下俯冲,板块接触的位置在日本西侧的马里亚纳海沟,但是以人类的正常视角来看,在这里也并没有天崩地裂那样的剧烈变动,只不过是沿着太平洋这一带,火山和地震多一点而已。
太平洋板块正在挤压欧亚板块和北美板块
环太平洋火山地震带
在5000万年前,印度板块的洋壳俯冲完毕以后,印度板块的陆壳部分与欧亚板块产生了硬碰撞,这个碰撞一直持续到现在,只不过印度板块的速度降下来了,现在的速度是每年4.2cm。两个陆壳的硬碰硬的结果就是欧亚板块的变厚,表现在地表就是青藏高原海拔的增加。
整个印度板块,有大约1500KM的缩短量,这个缩短量全部由青藏高原的增高来吸收了,这就是青藏高原平均海拔4500m的原因[4]。
像一堵墙一样的青藏高原横亘在印度北方(本图高程有放大,仅作示意)
我们今天谈论的珠峰,就是在这个背景下形成的。
珠穆朗玛峰
为什么要测量珠峰?
我在上一篇文章谈到了珠峰测高的政治意义,不过在这里想讲一讲珠峰测量的科学意义。珠峰测量,一方面是要测量珠峰的高度变化,一方面是要测量珠峰的位置变化。
测量高度,能够让我们知道珠峰是在变高还是在变矮,从而间接告诉我们板块运动的状态。在目前的板块运动理论下,珠峰是因为板块之间的碰撞而形成的,那么珠峰的高程变化能够间接告诉我们板块碰撞的状态,欧亚板块与印度板块是继续碰撞(珠峰长高),还是会加速碰撞(珠峰加速长高),又或者有了分离的趋势(珠峰变矮)?
测量珠峰的位置,也能够告诉我们板块运动的状态。目前很多科学家们利用GPS数据来研究板块运动的状态,具体方式就是,在全世界各个地方放置GPS测量点,长期监测各地地壳形变状态,而珠峰作为世界最高峰、板块运动的巅峰成果,它的GPS位置数据无疑是具有很高价值的。这些GPS位置数据能够告诉我们板块之间是怎么碰撞的?它们的角度如何?它们碰撞的速度快了还是慢了?它们以后的碰撞状态会发生改变吗?等等一系列的问题。
这是一个利用GPS数据做出来的地壳形变图,我们可以清晰看到各地的地壳运动速度、方向以及变化趋势[5]
更为重要的是,这种对于地表的测量,其实是对板块运动的验证。很多科学家们试图利用数学的方式来计算板块运动的状态,这些测量数据就是对计算的一次次验证。当验证的次数足够多,数学公式的计算也会越来越准确,这时候我们就有能力真正的预测未来板块运动的状态了。
当然,测量珠峰还有很多其他的意义。比如验证和展示我国北斗系统的精确度和可用性,展示我国地球物理探测水平的高低,这些不仅仅只是对我国科研实力的一个展示,同时也是军事实力的侧面印证。其他意义再此并不继续展开,大家自由联想。
番外:被珠峰改变的中国
珠峰和青藏高原,对我们的意义其实远远不止于科研和政治,它们对我们的影响超乎想象。
3D版中国地图,更直观的感受到中国地貌的三级阶梯 图/网络,侵删
我们每个人在小学地理课上都会学到中国地貌的三级阶梯,西高东低,逐级降低。这其实就是青藏高原的影响之一:改变了整个中国的地貌。
我新疆的同学,说他们高考的信念很简单:冲出新西兰(新疆、西安、兰州)。这些地方都属于西部,干旱寒冷,不适合大面积农耕,只有中国的东部,潮湿温暖,适合农耕,所以中国东部集中了全国超过70%的人口。这其实也有青藏高原的影响。这就是青藏高原的影响之二:改变了整个中国的气候,让中国西部成为世界上最干旱的地方之一。
青藏高原挡住了暖空气
高原超过4500的海拔,挡住了来自印度洋的暖流,而中国西部则不得不面对来自北方的寒流。曾经有一个叫牟其中的人,吹牛说要把喜马拉雅山炸开一个大口子,让印度洋的暖流直接吹到西部,把西部打造成江南的样子,只不过我们都知道那都是不可能的,人的力量面对大自然还是太渺小了一点。
当然,其实珠峰改变的不只是中国,它对于整个世界都有很强烈的影响,这一点,我们有空再说吧。
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参考文献:
[1] 舒良树.普通地质学[M]. 北京:地质出版社, 2010. 121-143.
[2] 江湉. 西藏南部最高海相层与特提斯洋的消亡[D].中国地质大学(北京),2015.
[3]张克信,王国灿,洪汉烈,徐亚东,王岸,曹凯,骆满生,季军良,肖国桥,林晓.青藏高原新生代隆升研究现状[J].地质通报,2013,32(01):1-18.
[4]许志琴,杨经绥,侯增谦,张泽明,曾令森,李海兵,张建新,李忠海,马绪宣.青藏高原大陆动力学研究若干进展[J].中国地质,2016,43(01):1-42.
[5] Zheng G, Wang H, Wright T J, et al. Crustal deformation in the India‐Eurasia collision zone from 25 years of GPS measurements[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, 122(11): 9290-9312.
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