2019年冰岛之旅(18) - 地质专题上篇: 独一无二的陆上大西洋中脊
甲城老武 2019-10-06
提示：本文不适应在手机上，因为这里的很多图表只有在计算机屏幕上才能看得清。本文的网址是 https://www.jclw-nature.com/zh/Travel/Iceland/Iceland2019-18
半个多月的冰岛旅游，本人旋风般的走遍了岛上的很多地方，除了窥探这个地方的主要风景点外，也特别注意了沿途的一些地质现象。 但毕竟是家庭旅游，不是地质考察，因此看到的地质现象实在有限，难免对冰岛的地质的理解以偏看全。 本文将根据自己在这次旅行中拍摄到的照片整理出来，挑选出既有地质意义，也比较好看的照片和读者们分享。 原本计划一篇中等长度的文章，但在写作中发现内容太杂，一篇文章的篇幅太重了，就分成上、下两篇。 本篇集中介绍自己看见的陆上的大西洋中脊， 先从基本的地质知识开始，然后分区段展示照片。 下篇则介绍与大西洋中脊无关的火山岩，远离大西洋中脊的古老火山岩层及沉积岩，柱状的玄武岩及由地球外部的动力形成的奇特地貌。
(1) 地质基础知识：地球的结构、地质年代及板块构造
(1.1) 地球的内部结构与地壳上的岩石
地球的外表基本上是一个球形，两极距地心的距离略比赤道到地心的距离短。 地球内部的结构呈圈层，由表及里分为三层，分别是地壳，地幔和地核，如图P1所示。 P1-b形象地描绘了这三个圈层及其它们的分界面的大致深度。 地球内部圈层的划分不是凭空想象的，也不是因为世界上某位有影响的政治人物或科学家大佬的一句话定下来的， 而是根据从来自全球地震网站观测、记录到的地震波反演出来的一系列不连续界面。地震波的记录除了发现地球内部的不连续界面外， 也毫无疑问地表明，从地球表面到地心，物质的密度明显地增加。因此，关于地球的内部是空洞的说法完全是违反科学常识的。
地壳是地球最外的一个圈层，其厚度与其它圈层相比显得微不足道，它的体积不到地球的百分之一。 地壳和地幔之间有一个很明显的界面，为莫霍洛维奇面，简称莫霍面。 莫霍面是一个起伏的界面，它的深浅决定了地壳的厚度。地壳有大陆地壳与大洋地壳两种类型。 大陆地壳的厚度一般在30-50公里范围内，高原地区的地壳厚度又比平原地区大，青藏高原的喜马拉雅地区的地壳厚度达70公里以上。 大洋地区的地壳较薄，厚度在5-10公里间，最薄的地方在大洋中脊。大陆地壳虽然比大洋地壳厚，但组成它的岩石硅和铝的含量较高， 颜色浅，比重低；而大洋地壳的岩石的主要成分是铁、镁等金属元素，颜色深，比重大，浅层的岩石基本上全是玄武岩。
地壳上的岩石根据它们的形成原因归纳为三大类， 分别是岩浆岩，也称火成岩，沉积岩，也称水成岩，和变质岩。 这三类岩石在漫长的地质历史上周而复始地相互转化和再生，岩浆岩，沉积岩和变质岩经过高温熔融后可以形成新的岩浆岩； 同样这三种岩石在地下经过高温高压，产生化学反应而改变矿物成分和结构转化为变质岩；而岩浆岩，变质岩及其沉积岩， 在地球表面经过风化、剥蚀，再经过水流或风力的搬运后再沉积，经过压实胶结后转化为新的沉积岩。
(1.2) 板块构造理论简介
经过无数地质学家几百年的探索，一个科学论述全球构造演化机制的理论体系终于在20世纪60年代中期形成，这就是板块构造理论。 板块构造虽然继承了20世纪早期的大陆漂移的活动论观点，但它不是大陆漂移学说简单的翻版。 板块构造的核心涉及到了地球圈层结构中没有提到的两个圈层，岩石圈(Lithosphere)与软流层(Asthenosphere)。 岩石圈是地球表层比较刚性的一层，它包括了整个地壳和上地幔的一部分，而软流圈则是岩石圈下比较柔软的一个圈层。 所谓的板块就是岩石圈在地球表面呈现出的由特定的边界区分出来的一个个区域，准确地说是板片。由于软流圈的岩石处于朔性至半熔融状态， 板块在它的上方如同乘坐传送带一样运动。板块间的相互位置是在不断变化的，它们的表面面积也是不断变化的，图P2是一个板块构造的综合模式。
板块的边界有四种，第一种是离散型的边界(Divergent boundaries)，在这里两个板块背向而去，新的洋壳从这里诞生，图P2中的大洋扩张脊(大洋中脊)， 属于一个成熟的离散型的边界；东非大裂谷是一个幼年的离散型的边界；贝加尔湖是一个正在孕育中的离散型的边界。 第二种板块边界是收敛性边界(Convergent boundaries)，在这里一个板块插在另一个板块的下面，是板块消亡的地方。 这类板块边界一般称为俯冲带(Subduction Zone)，有的是大洋板块间的俯冲，形成一些火山岛岛链，如西太平洋上的菲律宾群岛，日本岛； 还有一种是大洋板块在大陆板块下的俯冲，在这种收敛性边界往往会形成高大的海岸山脉，如南美州的安第斯山脉，美国西海岸的内华达山脉和喀斯喀特山脉(Cascade mountains)。两个大陆板块之间的相向运动的结果是板块的碰撞，形成的边界也叫缝合线。 雅鲁藏布江一带是印度板块与欧亚板块间的大洋消失殆尽后，两个大陆板块的缝合带。 两个大陆板块直接碰撞结果是严重的岩石圈变形， 和世界屋脊的形成。 第三种板块边界是转换边界(Transform boundaries)， 即转换断层。 在转换边界上，两个板块相对位移，板块既不增长也不减小。这类边界多数是与大洋中脊相伴的， 从谷歌地图中清楚可见(见图片P4),陆地上最著名的是美国加州的圣安德烈斯断层，是造成加州多数灾难性地震的元凶。 第四种板块边界严格地说是含糊的第二类边界，叫板块边界带(Plate boundary zones)，是一个夹杂有微板块的广阔的地带，典型的例子是地中海与阿尔卑斯山。
板块构造建立在现代科学调查的基础上，它不再是一种学说，而是实实在在的科学。利用现代科学技术手段，板块的扩张与消减的速率完全能够实时监控和测量， 如大西洋中脊的平均扩张速率是每年2.5厘米，也就预示百万年后现今中脊的两侧相距25公里。
地球上的地质作用包括地震活动和岩浆活动主要集中在板块边界，在离散型的边界岩浆的活动主要是含铁镁成分较高的基性岩， 火山岩绝大多数是玄武岩，而在收敛性边界的岩浆活动与在离散型的边界岩浆活动有很大的不同，它们的主要成员是二氧化硅含量较高的中性岩和酸性岩。在岩浆岩里，典型的中性的火山岩是安山岩，侵入岩是闪长岩；而酸性的火山岩是流纹岩，侵入岩则是花岗岩。 虽然岩浆活动绝大多数集中在板块边界，但板块内部也有零星的岩浆活动，如处于西太平洋的夏威夷岛链就处于太平洋板块内部， 无法用简单的大洋扩张或板块俯冲来解释。于是就有学者提出了一种假说， 认为有一缕从地幔甚至上部地核上升的温度异常的物质流的，它们到达地面后就成为热点，导致岩浆活动。热缕，也称为地幔柱假设， 有效地解释了解释夏威夷及黄石公园的火山成因，也得到了广泛的接受。近年来地质学家们根据从全球地震网站记录到的数据资料，在功能强大的计算机上反演， 不仅证实了地幔热缕的存在，还能大致勾画出它们的轮廓。
(1.3) 地质年代
谈起地质话题，地质年代是一个绕不开的概念，有必要在这里做些解释。 研究地球的演化史，唯一的资料来源就是地球本身。对地球上的岩石， 尤其是对沉积岩和在它们中发现的古生物化石的研究则是建立地质年代的基石。 对于沉积岩岩层，一个无需证明的原理就是在正常情况下岩层的相对年龄下自而上俞来俞新。 如果将一个区域的地层通过对比排列起来，就可以建立起整个区域的地层序列。 事实上，一个区域的沉积岩层序通常是不完整的，但如果将全球所有地区的地层层序通过对比，就能建立起整个地球上岩石的序列表，也是就相对的地质年代。 地层中的古生物化石不仅对地球上生物的演化提供的物证，也为地层的对比提供了依据。地质学家们根据在在地层中发现的古生物种群的大爆发与大毁灭将 地层序列划分为若干个单位，这些单位由大到小有宇(Eonothem)， 界(Erathem)，系(System)和统(Series)。 统以下更有更小的单位，但对不从事地层、古生物研究的人没有更大的意义。地层层序单位的名称是以典型的发现地命名的， 如寒武系(Cambrian series)的名称出自英国的威尔士，它的拉丁名是Cambria(寒武)，侏罗系(Jurassic Series)的名称则来自欧洲阿尔匹斯山脉的侏罗山(Jura Mountains)。
自从发现了同位素测定岩石年龄的方法后，地质学家们就开始运用各种手段来确定各个地层单位的年龄下限和上限，这就有了绝对的地质年代。 地质年代的名称与地层层序相同，但后缀单位分别为宙(Eon)，代(Era)， 纪(Period)，世(Epoch)，与地层单位的宇、界、系、统想对应，例如侏罗纪指的是时间，而侏罗系指的是地层的层位。 现在的地质年代由国际地质科学联合会(the International Union of Geological Sciences, IUGS)的分支机构国际地层委员会(International Commission on Stratigraphy) 主导。统一的国际地质年代图表，不仅规范了各地层单位的标准名称， 避免了因地方特色而造成的不必要的困扰，也提供了当前对各单位的绝对年龄的上下限的测定结果。 此外， 地质年代表中标注各个地层/年代的颜色也是全球地质工作者制作地质图时需要使用的统一颜色。 由此可见，地质年代的基石是地层层序的划分， 而绝对年龄的测定则是定量化的辅助手段。 因此地质年代不是一成不变的，而是随着研究的深入和新的发现而不断更新的，目前最新的版本是v2018/07。
“纪”是最常用的地质年代单位，寒武纪是一个重要的地质年代界限，目前确定的开始时间的在541百万年前，比它老的年代是隐生宙，也统称前寒武； 寒武纪和它以后的年代是显生宙，从老到新依次划分为大家熟悉的古生代，中生代和新生代。 下图P3是新生代的部分的详细年代划分，便于读者在阅读本文时参考，因为冰岛的地质事件仅限于新生代。如果有读者对完整的地质年代有兴趣，可以从国际地质科学联合会地层专业委员会的官方网站 http://www.stratigraphy.org/ 查看与下载英文版。至于中文版，本人觉得百度里由科普中国提供的地质年代的网页论述很系统，全面，值得推荐， 网址为https://baike.baidu.com/item/%E5%9C%B0%E8%B4%A8%E5%B9%B4%E4%BB%A3 。 值得一提的， 新的地质年代表取消了过去一直使用的第三纪， 而将属于原先第三纪的老第三世和新第三世分别升格为古近系(Paleogene)和新近系(Neogene)。因为本文引用的文献图表是在新的地质年代表发布之前的， 本文中的图和文字仍然使用第三纪这一名称，它在新的地质年代表中的位置为新近系。
(2) 冰岛 - 全球上最独特的天然地质实验室
虽然没有官方组织授予冰岛这一荣誉，本人认为说冰岛是一个名副其实的全球上最独特的天然地质实验室，不是之一， 而是唯一。 冰岛是地球上最年轻的陆地，最老的岩石年龄才16个百万年。 冰岛是全球上唯一的露出水面的大洋中脊。 到这里可以实地观察正在扩张的板块边界，还可以见识转换型板块边界。 冰岛也是全球上少有地幔柱的热点出现的地方，而且还叠加在大洋中脊之上，也是研究地幔柱的一个好地方。冰岛有全球最密集的活动火山，多样的火山口，丰富的火山地貌形态，漂亮的玄武岩柱， 是地质学家们研究火山很多的天堂。
(2.1) 构造背景
一般读者不需要专业的地质知识就能看出冰岛是大洋中脊，只要将谷歌地图缩小到了全球的格局就一目了然了，图P4和P5是本人从谷歌地图中截下来的， 在纵向上贯穿大西洋南北的裂痕即是大洋中脊，而在横向上将大洋中脊错开的线条就是转换断层。 大洋中脊在冰岛的陆地上并不是单一的一个裂谷带，而是分成了东西两支，图片P6为冰岛的地质构造的概要图。 尽管大西洋中脊在冰岛不是条单一的线状，但岛的西边属于美洲板块，东边属于欧亚板块是一个不争的事实。 大西洋中脊在冰岛的扩张速度南北部略有差别，北部在特奥内斯断裂带(Tjörnes Fracture Zone - TFZ)附近的扩张速度是每年1.79厘米，方向为N106.8E;而在南部冰岛地震带(South Iceland Seismic Zone - SISZ) 扩张速度是每年1.85厘米，方向为N104.8E； 整个冰岛的平均扩张速度是每年1.8厘米，扩张的方向是N105.8E。 这种速度看起来很微不足道，但须知地质年代的基本单位是百万年，地球的年龄在4500百万年以上。 百万年后撕裂后的同一地方相距18公里，一亿年后就相距1800公里。
作为大洋中脊的冰岛能够从海面下数千米的深处长高到海平面以上，地幔柱起到了一个关键的作用，因为它所携带的物质流使热点一带地壳的上隆，这也是夏威夷群岛高耸在海上的原因。 据推算，冰岛地幔柱大致是圆形柱，它的深度至少在400公里直径约200公里(也有人提出过300公里)，温度比周围高，地震波的P-波和S-波速度较低，它在地表的大致位置已经标注在图P6和P8中。 在冰岛这个位置上的大洋中脊和叠加的热点并不是最近才开始的事件，而是从大西洋从开始形成时就一直是这样。 图P7是一张从格林兰到欧洲大陆的玄武岩流分布图，可以看出从冰岛西边的格林兰到东边的法罗群岛有一道高耸在海底的隆起，这就是昔日热点的运动轨迹(这里假设热点的位置相对固定， 而热点造成的异常高的地貌随板块的扩张而向两侧移动)。 从历史的眼光看，今日的冰岛只不过是北大西洋中脊在热点的作用下露出水面的一个瞬间， 而沉没在水下的格林兰-冰岛隆起和冰岛-法罗隆起则是昔日的“冰岛”。
- 关于冰岛的地质，本人根据读到的文献资料和自己的观察总结的几个要点：
- 整个岛屿形成于24Ma(百万年)，也就是始于中新世，已知的最老岩石的时代为16Ma
- 在东西方向上，两端的岩石年代最老，中部较年轻，而活动的火山带周围的岩石最年轻。
- 整个岛的岩石基本上全是岩浆岩，火山岩遍布全岛，而侵入岩只有在个别地方有露头。
- 冰岛也有少量的沉积岩，如果留心，在东、西峡湾地区可以看见。
- 大洋中脊表现为一个数十公里宽的条带，它们的外在特征是宽阔地面凹陷，局部的地面隆起和裂缝群，地热和间歇泉出现在带内或周围。 虽然在某些热门景点将某一条裂缝或沟渠标定为板块的边界， 但这仅是一个参考而已，切莫简单、机械地套用。
- 对照图P8和冰岛的地图，不难发现冰岛上所有的雪山都是活动的火山口。 活动火山基本上都在板块边界上，尤其是呈线性排列的火山口串都在彰显下面岩石圈的扩张。
- 在冰岛沿路看见的所有火山口都是第四纪形成的，多数为活动火山。古老的火山口都深埋的新的火山岩之下，只能在剥蚀较深的谷了观察到， 都不是游客们的兴趣点。
(2.2) 旅行照片中的大西洋中脊
去过冰岛旅行的人都知道它跨越美洲和欧亚两大板块，到了位于黄金圈的辛格韦德利国家公园(Þingvellir National Park) 还恨不得一头扎进Silfra看穿板块扩张轴下面的世界。 图6是冰岛及周围的地质构造图，图8是冰岛的活动火山系统和火山岩分布图，及冰岛热点的大致位置。 本人在这次旅行中有幸拍到达了这些关键的地方并拍到了一些照片， 本篇将按图P6中的RVB，WVZ, EVZ 和 NVZ顺序分享一些照片。
冰岛热点的大致位范围由黑色断线构成的园圈标出,点线是南北火山活动带的界线，值得一提的是编号28-30的活动火山系统位于西奈半岛，与大洋中脊和热点活动无关。
(2.2.1) 雷凯恩斯火山带(Reykjanes Volcanic Belt, RVB)
雷凯恩斯半岛，位于雷克雅未克西南，半岛上除了机场外，还有一个有名的地方就是蓝色泻湖(Blue Lagoon)。 一般人都是去蓝色泻湖泡温泉，然后又匆匆离去。我的重点在欧美大陆桥(Bridge America - Europe)，因为这也是一个重要的地标，据称桥头的东边是美洲板块，而桥头之西是欧洲板块。 原来做旅行计划的时候低估了这一带，只留下了几个小时的时间，然后又要去赶飞机。 其实这个地方值得留很长的时间观察，因为这才是原汁原味的雷凯恩斯直接延伸到冰岛陆地上的一段。 一踏上这里就感受到了遍地黑乎乎的玄武岩，很新鲜，热气腾腾的地热田宣示着活动的板块边界。
(2.2.2) 西部火山带(West Volcanic Zone, WVZ)
西部火山带是雷凯恩斯火山带在东北方向的延伸，但这个活动带不是一个简单的条带，而是一系列呈雁行状排列的小火山和裂隙群组成， 其中最有名的地段是辛格韦德利国家公园(Þingvellir National Park)和间歇温泉(Geyser)。 在辛格韦德利国家公园，有一个很大的正断层构成了Þingvallavatn湖的西岸，东流的河水挂在断层崖上形成了瀑布(Öxarárfoss)，地面上有一系列北东走向的地裂缝， 在湖的东北端的地裂缝又与湖水相连。 Silfra据信是大洋中脊的扩张中心，是一个很热门的潜游地方。
(2.2.3) 东部火山带( East Volcanic Zone, EVZ)
东部火山带比较宽，它的南部就是游客们喜欢和徒步者们追随的高地地区，北部则是高地的深处，又有冰岛热点的叠加。 如图8所示，南部高地地区的火山喷发的主要方式是一个个高大的中心火山口，而北部则是条带状的岩墙群加中心火山。
此片是从拉基(Laki)山的山顶拍摄的火山口群的南段，山上的岩石比山下的较老。山上虽然没有火山喷发，但一道明显的裂缝连接着远处的火山口。 这种溢流方式的火山喷发毋庸置疑地表明了大地在撕开，地下深处的岩浆沿着裂缝喷出地表。
这里的对面的雪山是埃亚菲亚德拉，最近一次火山喷发是在2010年，火山灰造成了欧洲大规模的航班取消和延误。
(2.2.4) 北部火山带(North Volcanic Zone, NVZ)
到了冰岛北部的米湖一带，虽然没有南部的的那些地标性的景点如欧美大陆桥和Silfra峡谷，但大自然对离散型板块边界的宣示比冰岛的其它任何地方还要强烈。 呈线状排列的活动火山，地面上的裂缝和裂缝里的温泉，热气腾腾的地热田和能够沐浴的温泉，都与这一段大洋中脊活动紧密相关。 有趣的是，冰岛深钻项目(The Iceland Deep Drilling Project，IDDP)原来的目的是探明这一带的地热，但意外地在地下2100米的深处探到了岩浆房。
2019年冰岛之旅(17) -初夏的野花 