關於地下熱氣對火山、地下溶洞和大地震的形成的作用

論文類別:理學論文 > 地質學論文
論文作者: 韋青松
上傳時間:2011/8/19 10:03:00

摘要: 火山、地下溶洞和大地震的形成都因地下熱氣體的聚散而产生的。地下熱氣的存在使地殼形成时在地層中出現熱氣泡,巖层冷卻凝結,其中的熱氣泡所在的地方變成了地下溶洞;熱气泡膨脹擴張,沖出一條或多條從地壳底層到地表的通道,往地面噴出巖漿,就形成火山;热氣泡降溫收縮,造成熱氣泡上面的巖石層拱頂坍塌,引發熱氣爆炸而發生大地震。紛繁多變的地質活動和現象,都是地下熱氣發生作用的結果,地下熱氣的消長是地球物質運動和變化的主要原因。
關鍵詞: 地下熱氣;地殼;熱气泡;火山;地下溶洞;大地震

Underground heat and volcanoes, underground cave, a major earthquake

Abstract: Volcanoes, underground caves and the formation of large earthquakes are a result of underground hot gas. Underground heat generated in the crust-shaped the thermal bubble formation, lithosphere cooling condensation, the place where the hot air bubble have being become into underground cave; Thermal bubble expansion, out of one or more channels from the bottom to the surface, magma emitted to the ground, cause volcanic eruption. The hot bubble cooling contraction, caused the rock layers above the dome bubble collapse, cause heat explosion, and outbreak a major earthquake. Numerous and varied geological events and phenomena occurred are the result of underground heat.
Key words: Underground heat; Crust; Thermal Bubble; Volcano; Underground Cave; Earthquake

引言
空心玻璃器皿的制作過程說明了氣可以改變和塑造熱巖漿的形狀,熱巖漿內存在氣泡可以使之冷卻後形成中空,變成空心玻璃器皿,由此可以推知,地球的巖漿冷卻凝結成山或巖石層時内中包裹著氣泡,有氣泡的地方凝固成形變成空洞,從而形成了現在的山洞和地下溶洞。推而廣之,形成地震和火山的地下熱氣洞也是由热氣的作用而產生的。熱氣的長消、聚散造成了地質的活動,生成了各種各样的地質現象。
1 地下熱氣與地殼的通孔結構的產生
1.1 高热氣體的產生
高熱氣體的產生主要有兩種形式:第一,当高熱巖漿流體物質处於高熱離子形態時,各種物質無差別地融為一體,當高熱巖漿流體溫度降到一定的程度,存在於高熱流體的各種物質就會還原其气體形態而被釋放出來,形成高熱的气體形態;第二,地殼底層下面的高熱巖漿流體同其外與之相接觸的物質發生反应,或高熱巖漿流體生成各種熱氣體物質之間發生反应,生成各種熱氣體化合物,形成高熱氣體形態。舉例,地殼底層下面的高熱流體從几萬攝氏度降到一千攝氏度左右時,其中的如H、O、C、CL、S等物質就會還原其氣體形態而被釋放出來,這些物质之間或外面大氣壓壓進來的物质與高熱流體中的物質在高溫中又進行化學反應,生成其他化合物如H2 O、CO2、N2、HC、HCL、H2 S、HF等物質的氣體形态。
1.2 地殼的通孔結构
地球原來是一個火球,構成地球表面的高熱流體物質同外面與之相接觸的氣體物质發生反應消耗熱量,并向外空間散發熱量而逐漸冷卻下來,凝結成堅硬的巖石層和較松软的土層相間的地殼。高热流體從地球表面向裏一層層往下逐渐由外到裏層層冷卻,凝結成新的巖石層或土層,這些冷却下來的新的巖石層或土層共同構成了地球的地殼。此過程不斷繼續,地殼變得越來越厚。
巖石层和土層相間的地殼總体上是一個疏松的中間滿是蜂窩状的小孔和小空洞,並呈立體網状相連的結構狀態、可以上下通氣。這種構造形成的原因主要有以下兩種:
第一,地壳下面正在冷卻凝結轉變成巖層或土層的熱流體層,其外是較冷的巖土層,其內是高熱流體層,高熱流體層的熱量穿過正在巖土化的熱流體層向外散發,遇到外面較冷的巖土層,一部分熱又向內折回來形成對流,使熱氣對流在高熱流體層與較冷的巖土層之間反復進行,夾在中间的正在巖土化的熱流体層就像被蒸的饅頭,中間形成满是蓬松的小孔立體網状結構的形狀,可以內外通氣,當其冷卻凝結成巖土層以後,這種形狀就固定了下來。
第二,正在巖土化的熱流體中包含的氣態物質没有被完全釋放出來,在巖漿中形成大小不同的氣泡,冷卻以後,在巖土层中有氣泡的地方就形成了大小不同的氣孔、空洞,可以上下通气,地下巖溶洞與山洞也是這样形成的。
即便是純粹的巖石層,雖然質地堅硬、結構緊密,其中間仍然有眾多的小空穴和小縫隙,使氣體能得以正常通行。
這些一層層冷卻下來的有通孔結構的巖石層和土層共同組成了有通孔結構的地殼,地殼的通孔構造保證了地球內外的物质能量的正常交換。在地殼的長期演化中,由於地層的移動、推擠、擡升、變厚和火山爆發等多種原因,使地質變形,有些地方地層的通氣功能被削弱,甚至喪失通氣功能,但地殼的總體結構和通氣功能不會有太大的改變。
2 地下热氣與火山爆發
2.1 火山的成因
2.1.1火山爆發的基本原理
火山爆發的基本原理就是高壓鍋式的熱氣膨脹。
2.1.2火山形成的三个基本條件
火山形成的三個基本條件:一是地殼底層能夠形成聚集熱氣體的大氣泡或大拱洞;二是地壳底層大量高熱氣體在大氣泡中的繼續聚集和被加熱,三是地壳從底層到表層的不同形式的通孔立體網狀結構。
地殼底层空洞或拱洞的產生的幾种情況:第一,地殼移動造成地殼底層被推擠,擡升而形成拱洞;第二,地殼底層巖漿凝結成固體巖土層时,因巖漿裏面含有氣泡而使凝結後的巖土層裏存在空洞;第三,地殼底層下面的高熱流體產生的熱氣體向上推動較疏软的地殼底層而形成拱洞。
各种熱氣體物質形態在地殼底層中形成很多熱氣泡,或在地殼底層的拱洞裏大量聚集起来形成大熱氣泡,熱氣泡下面的高熱流體不斷向它增補热氣體,並繼續加熱,使大熱氣泡不斷繼續擴大和膨脹,各種熱氣體混合構成的大热氣泡就成為易燃易爆的、隨時準备爆炸的火藥庫。
地殼的通孔結構,使在地殼底層的大空洞或拱洞裏聚集的高熱高壓熱氣膨脹扩大空間變得較容易,並且,熱氣泡可以順著地層通孔、裂縫、空洞不斷地由裏向外地面膨脹、推動、擴展,打通從地殼底层到地表的通道,最後,沖開地面噴出熱氣體和巖漿,形成火山噴發。
2.1.3火山的爆發
地殼底層下面的高熱流體內含有的各种物質,如H、O、CL、C等氣體形態被釋放出來,逐漸推動地殼底層的軟巖漿形成大熱氣泡,或在地殼底層的拱洞中大量聚集起來,形成大熱氣泡;另外,高熱流體物质與其他物質進行化學反应生成各種化合物的氣體形態,如H2 O、CO2、N2、HC、HCL等气體化合物,在孔洞聚在一起,形成混合熱氣泡。高热流體不停地的運動和進行化学反應,大量的各種熱气體被不停地創造出來,不斷得到加熱和氣體補充的熱气泡向四周膨脹,擴大空间變成大熱氣泡,或多個小熱氣泡在膨脹擴大中合並成一個大熱氣泡,大熱氣泡順着巖土層的裂縫或空穴不断向上伸展膨脹擴大,沖出一條或多條從大熱氣泡到地表的通道。地殼底層下面高熱流體的加熱和地殼的地層重量的壓力作用下,大熱氣團處於高熱高壓的狀態,當其能量的膨脹力积累到能順著它已沖開的通道沖出地面時,高熱氣體就會從這个通道噴湧而出,大氣泡下面受高壓的熱巖漿流体也跟隨其後,噴出地面,這就是火山爆發。
2.2 不同時期火山的一些特征
2.2.1地球早期火山的一些特征
總體來說,地球早期的地殼巖土層比較薄,溫度比較高,質地也比較軟,韌性比較大,較容易彎曲,地殼移動時,巖土層受推擠容易彎曲而在底層下面也較容易形成拱洞。地壳底層下面的高熱流體物質在運動中与其外面壓進的物質進行化學反應,生成各種熱氣體物质,這些熱氣體在地殼底部形成很多熱氣泡,或在地殼底部的拱洞之中大量聚集成大熱氣泡,或多個小熱氣泡在膨脹中合成一個大熱氣泡,大熱氣泡向周圍膨脹擴大,向上沖開較薄的地殼表層,熱氣與熱巖漿從地下噴湧而出,向地面推积熱巖漿,就形成了火山。
當時的地殼較薄,受壓的熱氣泡容易沖開地殼表面,當熱氣泡沖開地殼噴湧而出时,下面的高熱巖漿簇擁著熱氣一起噴出,堆集成山,冷卻後成為巖石山。因此,此時的火山有以下明顯的特征:火山持續的時間也較短;火山爆發很少出現反復噴氣的现象;火山沒有明顯的火山口,一座火山就是一堆實心的巖漿,變成一座實心的山峰(含有氣泡的巖漿,冷卻後有山洞);地面溫度較高,火山爆發非常频繁,大部分陸地表面都能爆發火山。
2.2.2地球現阶段火山的一些特征
現階段火山的一些特征有:1)現階段火山爆發的次數少,間隔的時间長。原因是:第一,現階段地球內部的地熱量已大大減少,地殼也大大增厚了,在地殼底層的拱洞裏聚集的大量的高熱氣泡,積累足夠的膨脹力來沖破厚厚的地殼巖土層,並不很容易;第二,厚厚的地殼巖土层的地質結構是一個有很多小通氣孔和小空洞組成的立體網狀結構,它有很多空間可以吸收和容纳很多高熱流體釋放或進行化學反应生成的熱氣體,對已形成的大高熱氣泡的膨脹力還有缓沖的作用,要形成强大的足以爆發火山的大高熱氣泡,需要較長時間的能量積累。
2)現階段的火山有明顯的火山口,山火爆發的持續時間较長。原因是,地下高熱气泡順著巖土層的裂縫、空洞或通孔,不斷向上推動和扩展,沖出一條或多條從地殼底層到地表的通道,喷出熱氣體和巖漿,形成火山噴發。大量受高壓的熱氣體和巖浆一起通過通道湧向火山口,一次只能有少部分氣體和巖漿通過,受阻而滯留的大量氣體和巖漿要經過長時間的多次反復噴發,才能噴完,火山才能停止。因此,火山噴發巖漿持續的時間較長。
火山爆發以後,如果地質結構沒有发生太大的改變,地壳底層大熱氣洞仍能形成,能夠重新聚集大量的熱氣体,經過一段時間的氣體能量積累以後,熱氣的膨胀力又可能沖破原火山口,重新噴出熱氣體和巖漿,此火山就變成活火山。相反,就是死火山。
2.3 現代火山的分布
對火山分布的考察,必須考慮前面所述的火山爆發的三個條件,前兩个是火山孕育的條件,是火山形成的內在因素,也是考察火山理論分布必須的參考因素;後一個條件是火山最終喷發的外在因素,分析火山實際分布時必須加予考慮。火山的分布可分為理論分布區和實际分布區,理論分布區指的是从理論上說,火山威脅仍存在但很可能不再噴發火山的區域;實際分布區指的是火山威脅存在並一定會噴發火山的區域。
2.3.1現代火山的理論分布區
地球表面上凡是大高原或大山脈的地區都屬于火山的理論分布區,因為大高原或大山脉地區都孕育著火山,都应該噴發火山,歷史上這些地方曾經是火山的多發地,現在,由于地殼地層太厚,準備噴发火山的大熱氣泡的膨脹力最終无法打通一條從地殼底層到地面的通道而噴發火山,至多只能噴發溫泉而已。
2.3.2現代火山的實際分布區
有長山脉,地質運動較活躍,海拔較低的地區,是火山實際分布的地區。具體來說,火山實際分布的地區有:
第一,因大陆旋臂陸地西移運動而引起地质較活躍的大西洋西部地區和太平洋中部地區;第二,因南北半球大陸都向北半球北緯30 度左右地區移動集中而相互推擠的南北大陸的中間地帶,即加勒比海地區、印度尼西亚地區和地中海地區。
3 地下熱氣與喀斯特地下溶洞和山洞的形成
3.1 地下溶洞和山洞的成因
地下溶洞和山洞並不是水的融蝕或侵蝕的結果。而是,在地球表面厚厚的熱巖漿層冷卻凝結成巖石的過程中,某些仍留在巖漿裏的氣态物質被壓成大小不同的各種氣泡,巖漿層冷卻成巖石層後,這些气泡所在的地方就成了地下溶洞或山洞。
3.2 地下溶洞和山洞形成的幾種情況
就地球形成的早期來說,喀斯特地下溶洞和山洞的形成有以几種情況:
第一,地球表面的巖漿层因與其表面的物質發生反應耗熱和向外空間散热而逐漸冷卻,變成巖石層,在此過程中,巖漿層釋放出來的气體物質沒有被散發出去而留在岩漿裏形成氣泡,巖漿冷卻后,有氣泡的地方就成了地下溶洞或山洞;
第二,正在岩石化的地球表面巖漿層的下面是流動著的高熱巖漿流體,高熱流体釋放的各種熱氣體物質和同其表相接觸的其他氣體物质發生反應生成的各种熱氣體化合物質,在高熱流體強大的熱力的推動下,向外推動着正在巖石化的地球表面層,並穿過地球表面層向外散發。在這過程中,有的熱气體散到了地面上,有的熱氣體沒有被散發出去,而是留在正在巖石化的巖漿中形成各種大大小小和各式各樣的氣泡,巖漿冷卻成形後,這些氣泡所在的地方就成了各式各樣的地下溶洞;有部分熱氣體在推動地球表層的過程中,在正在巖石化的巖漿层裏的孔洞或拱洞中聚集,形成大氣泡,這些大气泡不斷得到下面高熱氣體层釋放的高熱氣體和熱量的補充,不斷向周圍膨脹和擴大,当其積累了足夠多的熱氣體和熱能,使其產生的膨脹力能夠沖開一條或多條通道到達地表層時,大氣泡裏的高熱氣體就順著這此通道沖出地表層,其後處於高壓狀態的高熱巖漿也跟隨其后噴湧而出,形成火山,喷湧出來的巖漿在地面堆成山,冷卻後就成了巖石山,如果巖浆裏的氣體物質沒有被釋放出來,氣体就在巖漿裏形成氣泡,巖浆冷卻後就成了巖石山的山洞,這就是山洞的形成過程;

免費論文下載中心 http://www.hi138.com 第三,有的已經沖開了一條或幾條通道準備爆發火山的大氣泡,後來沒有力量沖破地表層形成火山的,地表層冷卻成巖石層後,這个大氣泡和它沖開的通道就成了大溶洞和延綿幾公裏甚至幾十公裏的地下溶洞通道。正在岩石化的巖漿中熱氣泡多的地方,有的擠在一起,有的合成較大的熱氣泡,冷卻後這些熱气泡所在的地方就變成了地下溶洞群。
  以上就是地下溶洞和山洞形成的原因。現代玻璃器皿工業從側面證明了这個過程的正確性,玻璃器皿的主要原料是巖石,即某些巖石按一定的比例组成,經過燒煮成熱岩漿,然後用金屬管往一定量的巖漿球裏吹氣,就能制成各种各樣的空心玻璃器皿,地下溶洞與山洞的形成與玻璃器皿的空心的形成原因是同一個道理。
4 地下熱氣與大地震的形成
4.1 大地震的源头
大地震的源頭是地層深處含有各種熱氣體的大熱氣泡,沒有形成火山轉而引發大地震。
4.2 大地震的形成
大地震的形成主要有兩種,一是地下大熱氣泡在膨脹擴大中發生爆炸而產生大地震;二是地下大熱氣泡在降溫收縮的過程中,大熱氣泡上面的巖石层拱頂坍塌發生爆炸而產生大地震。
4.2.1大熱氣泡的膨脹爆炸
地壳下面高熱巖漿流體層不斷向其外面散發熱量,並與周圍的氣體物質進行各種熱反应生成高熱氣體,在強大熱力的推動下,高熱氣體向上推动正在巖石化的軟巖石层而在其中形成熱氣泡,或在因巖石层運動形成拱洞的地方聚集形成熱氣泡,下面活躍的高熱巖漿流體生成的各种高熱氣體不斷充實這些已形成的热氣泡,並繼續加熱,使其不斷地向周圍膨脹,擴大空間,經過长期的積累,或多個熱氣泡合并,最終形成具有巨大能量的大熱氣泡,大熱氣泡裏的氣體很多是易燃易爆的各種氣體化合物,並處於高熱高压狀態,使得大熱氣泡就像一個大火藥庫,準備向地面繼續扩張噴發火山。但是,由於一些因素影響,沒有爆發火山之前就發生爆炸,造成地面大面積山體坍塌,形成大地震。
在大熱氣泡膨脹時期發生爆炸引起大地震的這種情況並不多,主要發生在地殼的深層部位,這種情况不是大地震的主要形式。
4.2.2大熱氣泡的巖石層拱頂的坍塌爆炸
准備噴發火山的地下大熱氣泡,由于地熱的消耗,即高熱流體物質不斷向外散熱而使地層溫度逐漸降低,原來的高熱巖漿流體層隨著溫度的逐步降低而相應地巖石化,大熱气泡的洞壁也因巖石化而逐漸固定下來,泡裏的高熱氣體也因周圍溫度的逐漸降低而相應地降低,其受到来自下面的熱量和熱气的補充也在逐漸減少,使大热氣泡裏的熱氣膨脹力大大減小,從而使本來要發生火山的大熱氣泡逐漸轉變成引發大地震的大熱氣洞。
當大熱氣泡的拱頂巖石層對壓力的承受力加上泡里熱氣體的膨脹力等于其上面的地層的壓力時,地殼處於平衡狀態之中,相反,當大熱氣泡的拱頂岩石層對壓力的承受力加上泡里熱氣體的膨脹力小於其上面的地層的壓力達到一定的程度時,大热氣泡的拱頂上的巖石層就会斷裂,坍塌入泡中,引起熱氣爆炸,造成地震。
具體來說,大热氣泡拱頂的巖石層对壓力的承受力、氣泡裏熱氣體的膨脹力和氣泡上面地層的壓力,這三個力中,氣泡裏熱氣体的膨脹力是最大的變量,它的變化是大熱氣泡拱頂巖石層是否發生坍塌的關鍵因素。例如,當大熱氣泡為爆發火山而準備的時候,氣泡裏的氣體溫度高達几千甚至上萬攝氏度,經过較長時間的演化,地熱的消退,大熱氣泡周圍的地层與泡中氣體的溫度降到300----500攝氏度時,泡裏熱氣體的膨脹力就大大減少了。當大熱氣泡的拱顶巖石層對壓力的承受力加上泡裏热氣體的膨脹力小於其上面的地層的压力達到一定的程度時,由於地壳地質運動等一些誘發因素影響,使大熱氣泡拱頂上的岩石層發生斷裂,坍塌入泡中,泡內處於高壓的大熱气團突然受到上面厚厚地層坍塌的強大壓力的沖擊,引發大熱氣團的强烈大爆炸,造成大地震(大熱氣泡裏處於高壓的由各種氣體混合而成的易燃易爆的大熱氣團,雖然溫度已降到幾百攝氏度,仍然像個巨大的火藥庫,具有相當巨大的能量)。
這種大地震一般發生在地壳的中部或中上部位,是大地震的主要形式。
4.3 余震的產生
處於地層深處的大热氣泡,其中大熱氣團的爆炸也沒能冲開上面厚厚的地層,只造成地層更大面積的坍塌,爆炸的熱氣团有一部分氣體因爆炸而從坍陷的巖層斷裂帶的縫隙間噴出,或被分散到被炸松的泥土層中。但大部分的熱氣體被因爆炸而陷落的更大量的坍塌物蓋壓住,縮成高壓热氣團,高壓熱氣團在強大的压力沖擊下,又發生爆炸,幾經反復,從而形成多次較大的余震;有的引起大地震的大熱氣泡周圍也有較大的熱氣泡,大地震的爆發的強大沖擊力使其周圍的较大的熱氣泡也受影響而發生爆炸,引發新地震,形成所謂的余震;有的余震是被炸斷的巖石層進行重新調整位置而形成的。
4.4 大地震的分布
大地震是由孕育火山的大熱氣泡轉变過來的,火山的理論分布區也就是大地震的分布區。
具體來说,地面上凡是有大高原或大山脈的地區,都是大地震的分布區。
4.4 天坑或“隕石坑”的產生
某個地面向下坍塌而出現的大井坑,謂稱天坑,也可稱之微型地震。天坑產生的原因是,地熱因不断散耗而向地心退去,使地熱气向上的推動力減弱,对液體層的液體物質的推動力也減弱,造成地下水位、石油和天然氣儲藏位的下降,最直接的反應是,地下水位的下降,使原儲存地下水的充滿孔隙的疏松的土层因缺水而出現空洞和能遊動的軟泥土,引起上面土塊下陷弥補地下空間而出現天坑。
月球表面上坑坑窪窪的“隕石坑”並不是真正的隕石坑,即不是隕石撞擊而形成的坑,實際上,就像地球上的天坑,是月球地面的地塊向下坍塌而成。其原理與地球上的天坑的發生一樣,都是由地熱向地心退縮,地熱氣向上的推動力減弱而引起。在月球上,不僅只是地下水位、石油和天然气儲藏位下降,並且,地上的湖、河、海的水全部退縮到月球的地殼裏面,造成地面無水。月球的今天就是地球的明天。
5 結語
紛繁多變的地質活動和現象,都是地下熱氣發生作用的結果,地下熱氣的消長是地球地質運動和變化的主要原因。地球地質的運动,如地殼的地質構造、火山、地下溶洞和山洞、大地震等地質運動,地下熱气都直接參與其中,沒有地熱氣的作用,就沒有這些現象的發生。地熱氣的耗散是地球與其外宇宙進行物質能量交換的結果,地熱氣耗散的過程也是地球從生产、發展到消亡的不可避免的自然過程,當今,石油、天然氣和深礦石的大量開采,加快了地熱能的消耗,增速了地熱氣消耗的自然過程,地熱氣力量减弱增速,地殼的地层增厚的速度就變快,地球加快进入了一個火山減少而地震多发的時期。

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