从物理学角度看板块深俯冲快折返假说

1984 年法国人Chopin和Smith，把地表中发现的柯石英(和金刚石)超高压变质体，认定是产生于上地幔的稳定相物质，提出了冷的地壳含石英岩石深俯冲到热的地幔中，经超高压变质形成柯石英，然后再折返回地壳并保留下柯石英；为了能在折返过程中保持柯石英不退变为石英，又提出了快速折返的观点，这就是著名的“地球板块深俯冲快折返”假说。

地壳俯冲是板块构造学说的重要内容，27年来，国内外发表了上千篇论文，板块深俯冲快折返假说成了地表柯石英形成机制的主流学说。然而，国内外对“板块深俯冲快折返”假说一直存在激烈的争议。2005年以来，国内苏文辉教授在哈尔滨工业大学凝聚态科学与技术研究中心和吉林大学凝聚态物理系领导柯石英研究小组在国家自然科学基金非共识项目资助下，积极开展研究，提出了一种无需深俯冲快折返的地表柯石英形成新机制，引起了热烈的学术讨论。近期在《地质论评》杂志刊出了苏文辉教授的新作《远离平衡相边界的柯石英形成机制及板块折返假说的物理基础》，从物理学的普遍规律、固体物质的结构与性质、高压高温相变规律和热力学的角度，对“地球板块深俯冲快折返”假说进行了分析和讨论，得到了许多新认识，预计将掀起物理学与地质学交叉学科间的学术争鸣的新浪潮。柯石英是石英的同质异相矿物，石英在常温常压下稳定，而柯石英在高温高压条件下稳定，压力大于2GPa。持“板块俯冲折返”假说者把地球岩石圈看作处于热力学平衡态的静态稳定流体，算出2GPa相当于地下至少70km以上深处的压力，这时柯石英才能稳定存在。苏教授指出，从实际固体地球物质结构角度，静态流体模型显得太粗糙，太理想化，与实际相距太远。在实际固体地球中，特别是在岩石圈中，因组成物质、应力的不均匀性和小面积作用原理所形成的小尺度不均匀局域高压微区的存在，挤压、剪切等重要作用及其导致的形变、非晶化等效应，以及化学环境等的影响，在岩石圈浅部即可出现压力达到形成柯石英的局部区域；考虑到还有其它影响石英—柯石英高压相转变的因素，这些局部区域是处于非平衡状态的热力学系统，其相变模式比平衡态具有更大的普遍性、多样性。“70km以上深度”不是柯石英形成的必要条件。不能把石英-柯石英平衡态作为唯一态，否定众多更为普遍的非平衡态柯石英形成模式，从而以地表柯石英的存在推出板块深俯冲快折返唯一解。按“板块俯冲折返”假说，板块俯冲-折返过程的时间为10～20百万年，这对地质学来说相当短暂，但对固态物质中的原子迁移和扩散，以及化学反应来说却十分漫长。从固态物质高压高温相变规律看，如此缓慢的温压条件改变，不可能形成淬火效应，使柯石英在折返回地表过程中保存下来，必然要转变为石英。如果按实验室中保存柯石英的最低淬火速度（50℃/s～100℃/s），则必须在几秒至十几秒的时间内从70km以下返回地表。另一实验中，在1 000℃ 3.9GPa获得柯石英后连续缷压降温，如果时间持续达20小时时，柯石英绝大部分消失；40小时时，柯石英即完全消失。