李务伦
对地球动力学问题的认识总结(12)/李务伦
2021-12-5 09:58
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到底什么地球动力学?很难一言概之,从以下所列地球动力学的成果可见一斑。较为著名地球动力学成果有:地球自转学说,收缩、膨胀、脉动说,重力分异和重力作用说,地幔分异与对流说,涌流构造说,层块构造热涌说,热点-地幔柱说,星际作用说。这些动力学说一度在学界一时影响范围极大,但随着新的事实的发现,有些学说转入沉寂,有的学说转入活跃。让人欣喜的是,一些新的学说产生。如杨学祥从数理理论导出地球内部存在差异旋转,池顺良提出驻波理论,毛小平提出周向应力理论,李三忠提出微板块理论,胡宝群提出地压梯度理论,万天丰提出陨石撞击理论,唐春安提出龟裂理论(有学者认为是锅盖理论)等等。以上每一种理论都是基于学者们所掌控的知识而形成的知识结晶,根据这些理论又很难具体说清地球动力学是什么。然从上述各种理论学说看,所基于的动力无外乎以及能量的转化。热、力、能量又是以下五个问题相伴:1地球为球态的问题;2、海洋与陆地的分野问题;3、地球释热与保温问题;4、自转与地外引力作用问题;5、陨石撞击地球问题

而热、力、能量的运行规律要遵守力学和热学的基本规律,即热力学定律和万有引力定律。基于这种认识,下面梳理笔者认识的地球动力学。

1、星体为球形的动力思考

对于所有星体为球形,搞地球动力学的很少有人关注,长期以来可能是一空白。也许有人认为,不是球体还能是是什么形态,为球体是理所当然的事情。下面的事实又不得不,让我们提出所有星体为什么为球形。同样质量的液体,在地面摊成一层,而在太空舱中,不论最初形态如何,为什么能收缩为球?因而同样可以问,所有星体为球形的原因是什么?而要回答这一问题就必须从万有引力定律谈起。

万有引力定律:两质点间相距距离为r的吸引力:F=-Gm1m2r/r3;当其中一质点质量为单位质量,另一质点质量为M,万有引力定律可表述为:F=-GMr/r3。这时又称此力为引力场强度,表述为:E=-GMr/r3。显然质量为M的的质点所形成的力场是一球形引力场。引力线可推证为是过质心的直线;距质心为r的球面上,引力强度值处处相等;相应的引力位值也可证明处处相等。因此,当有与质点M同密度的极细小颗粒均匀包围质点M时,每一细小颗粒将寻找符合上述三点性质的位置,最后成球。由此可进一步推证,球内任一半径上的引力强度E=-GM(r)r/r3,球的表面压力为零,而球内任一球面上压力处处相等,同一球面上压力平衡。

太空舱中不规则液体存在质心,依此质心可划分出全为液体的球,而此球外还存在不规则液体,这些不规则液体处在液体球的引力场中,从而造成液体球的表面受到压力并不平衡,从而产生液体的流动,进而造成液体的收缩成球。

通过上面的叙述,可以对同密度的球内物质展布性质做出如下总结:性质1、引力线为直线、引力线方向与压力方向均指向球心;性质2、等引力强度面、等压力面、等引力位面均为球形;性质3、引力线与等引力强度面、等压力面、等引力位面垂直;性质4、球内部球面上,引力强度值处处相等,压力值处处相等,引力位值处处相等;性质5、球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等。

对于存在两种或两种以上密度物质共处时,网状周期性地球构造动力的合力场强度解释 http://blog.sciencenet.cn/blog-3433895-1282337.html》一文已做了叙说,下面直接给出结论:性质6所有物质,由球心向外,按密度从大到小圈层展布而对于存在自转,且处于外力场中球体,球内合力强度为椭球方程,球内性质以往的文中已做陈述,下面转录于下:性质1:合力强度线为曲线、合力强度线切线方向与压力方向相同,所有合力强度线止于球心;性质2:等合力强度面、等压力面、等合力位面均为椭球形;性质3:合力强度线与等合力强度面、等压力面、等合力位面垂直;性质4:球内部椭球面上,合力强度值处处相等,压力值处处相等,合力位值处处相等;性质5:球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等,性质6所有物质,由球心向外,按密度从大到小圈层展布性质7球内所有质点具有动态平衡和周期性变化的特点

对于无自转不受外力场作用的球内性质,称为球内性质,而对于存在自转和外力场作用的球内性质,称为球内性质球内性质是确保星体稳定平衡的动力来源。之所以一再提球内性质,并通过不同方式叙述,因为它是太空中,所有星球为球体,以及圈层化的数理理论根据,是许多力学现象的源头

有了球内性质,所有星体为球体自然找到了理论根据。对于地球而言,地球具有圈层构造,球内性质很方便的给出存在的原因。同样其它星体只要存在密度差异,也会具有圈层构造。

造山带中,古老造山带存在去根或没有山根,年轻造山带则存在山根。山根是俯冲或俯冲碰撞形成的,形成山根的物质与上部山体基本相同,但山根部分则处于高温状态,刚性极差或不具刚性,同时周边的物质密度大于山根,显然此时并不符合球内性质,因此随时间的延续,山根物质将遵守球内性质向周边运移,山根逐渐消失,因而形成后造山运动;所以古老造山带没有山根是在自然不过的事情。显然山根物质向周边会以立交桥或耦合式运移,这样会对周边及上部造成构造各种各样的影响,如褶皱、沉降、上升、断裂、地震、水平位移等。因此很难用一个具体的动力来描述这一过程所带来的各种地质现象,由此可见地球动力学是一个非常复杂的问题。尽管复杂,也不会没有规律可寻,对造山带来说,后造山运动用球内性质解释是方便的,但具体到造山带具体部位,则应根据球内性质、力学理论,具体问题具体分析。由此可见企图以一种力或以一种力为主的任何动力理论实难回答什么是地球动力学

2、海洋与陆地的分野动力问题

根据地球化学的研究,Fe(34.6%)、O(29.5%)、Si(15.2%)、Mg(12.7%)四元素,占组成地球元素总质量的90%以上;根据对陨石的研究,石陨石占陨石总量的92%,铁陨石占陨石总量的6%,余者是是铁陨石;石陨石的成分主要是硅酸盐。地球脱胎于星云物质汇聚,因此地球的主要成分是硅酸盐。无论星云物汇聚前是冷是热,所处的环境,对具体的星云物质来说,是稳定平衡的环境。当其汇聚形成星球,引力位能转变为热能,快速的撞击,使得各种陨石破碎混合,可以认为这时的混合是均匀混合体。但在这一过程中,汇集一处的星云物质首先在球内性质的约束规范下,形成急剧升热的均匀的混合体球体。而实际上在形成的球内部存在三种不平衡:力、热、化学势的不平衡。这些可用热力学第一定律描述:图片2.png其中U为内能,Q系统得到的热,W为功N微小系统粒子数的增加数,μ化学势

三种不平衡带来以下问题:易挥发物形成大气;粒子间距离增大,所有物质的黏度降低;不同陨石间的矿物将重新组合,或在化学势的作用下形成新矿物或新矿物集团。同时无论横向还是纵向都将存在密度的不均,并非依造球内性质圈层展布,也就是存在胡宝群老师提出的地压梯度,所以物质将产生运移,即至少产生分异。黏度越小,分异速度越快。分异的过程还带来势能转变为热,这又促使分异速度的增快。可见分异的动力既与重力有关也与热力有关。在硅酸盐中,架状硅酸盐的密度基本最小,在地球表层处于高温期,以架状硅酸盐为主的矿物集团,经分异遵守球内性质层状的到地球的最外层。

非圈层物质展布,在稳定的热源支撑下,形成受迫对流。在过往的文字中已多次叙及,在此仅对它形成海洋的作用做陈述。当星云物质偶尔汇集到地球,地球处在由引力位能形成的高温稳定期,由于内部的热力不均,在球内部会形成许多受迫对流。当这些对流冲破地球最外层后,含在对流中的架状硅酸盐等先一步,到达受迫对流的顶部后,以点源热结构为例,将随热结构向周边运移,至热结构顶部边界后,根据球内性质,脱离热结构形成地球的最外层。这一最外层随对流的不断进行水平运移,并由底部垂向增厚。因为密度的差异,其高度高于热结构的顶部,热结构与小密度物间处于相互平衡,此时的平衡是球内性质下的暂态平衡或时下所称重力均衡。

海陆演化1.jpg 

1 对流、扩展、消减及小密度物漂移碰撞系列推演示意图

“地球表面处于高温低粘性态表面结构推演与小密度物的合(7)”中,图1-5推演了表面的热结构和小密度物间的演化,下面用图1再次推演横向剖面上的这一变化。阿莱格尔指出,早期的地球大气压是现在的300多倍。根据克拉珀隆方程,尽管地表处于高温,仍可能存在液体,这时的液体可能覆盖全球,当图1(1)的对流与分异出的小密度物,存在如图所示的关系后,液体大多居于热结构的顶部,它的量的多少,根据球内性质影响着小密度物与热结构的顶部的高差(杨学祥研究)。假若最初的热结构在地球内部具有图示的展布,而每一热结构的热能供给来源于引力位能、势能及放射性。但实际的地球内部,大密度物质和放射性物质并非均匀,因而引起热结构发展并不相同,其变化如图1(2)所示。在图1(2)中,扩大的热结构的底部负压向两侧索取物质,小密度物的屏蔽作用使得,收缩中热结构顶部物质向扩展中的热结构底部如图示的运移。这种运移经图1(3)过程,到图1(4),三个扩展的热结构如图示,另两个消失不在存在;由于高温消失的热结构顶部,两侧小密度物相遇后,在球内性质的作用下,两部分接触后,很快变成图示的形态。

1(4)中部热结构继续扩展,两侧热结构收缩,其运动过程如图1(5),经过一段时间,两侧热结构消失,形成如图1(6)示的结果。在图1(6)中,小密度物初相遇后,由于表层降温,相遇后各自保持各自的相遇形态。图1(6)中热结构继续扩展,图中小密度物受到来自两侧的力,因此时还处于高温,并不会隆起成山,如图1(7);若温度再低就会碰撞成山。在图1(7)中,由于扩展的热结构对两侧的持续作用,因而形成能量的传递以及还存在一些大密度物等,从而造成在小密度物的底部,图示的地方出现新的热结构。这些新的热结构扩展,抵达小密度物后,随着扩展不断地侵夺小密度物位置,致使小密度物表面出现低洼,从而形成图1(8)的图示结果。在图1(8)中,对小密度的侵夺,在此大胆的认为,应是“涌流构造、层块热拥构造,以及地洼的理论根源,也是地堑形或裂谷形成的根源。

海陆演化2.jpg 

1(续) 对流、扩展、消减及小密度物漂移碰撞系列推演示意图

 

1(8)中,大热结构两侧新生成的热结构中,中部热结构继续图示扩展,两侧热结构收缩;随时间的延续扩展的撕裂小密度物,收缩的消失,从而形成图1(9)的图示结果,同时伴随小密度物的漂移。图1(9)新热结构继续扩展,而中部老热结构收缩;持续的扩展和收缩,扩展处的持续扩展传能于收缩的中部,致使在收缩的热结构后部,产生图1(10)示的新热结构。

1(10)示的新热结构扩展,中部热结构继续收缩,两侧热结构保持,新的热结构上升到图1(11)的位置,并撕裂出部分图示的小密度物。在图1(11)中,两侧热结构保持不变,中间老热结构继续收缩,而与之相邻的左右两热结构进一步扩展,其余四热结构收缩至无,如图1(12)所示。在图1(12)中,原图1(11)中消失的热结构的顶部图示保留,它们应是李三忠博士提出的微板块的基础,以及大洋中存在陆物的原因。图1(12)中,中部老热结构收缩消失,两侧热结构扩展相遇;当能量相等,原两热结构,形成图1(13)的状态,进一步同等能量的扩展,形成图1(14)的状态,在各自的负压作用下,形成图1(15)示的合成新对流,至此通过图1推演了完成了海陆演化全过程。

通过图1,根据热学理论,对流规律,并通过具体热对流间的干扰观察,以及热对流对小密度物的作用,完成了对早期高温下地球内部热运动造成的构造运动的推演。在推演过程中所出现的规律,对应了一些构造动力理论,如地洼、涌流构造、大陆漂移等等。尽管如此,这些也仅是理论上的推演,在目前还不能更深部采样的情况下,笔者认为我们应当继承老一辈,通过做实验解释地质现象的传统。过去的实验做在地面,对于深部动力学过程难以企及。虽说地震资料对构造及构造动力的解释已有长足进步,但对一些重大问题的回答仍是困难重重,如:离极力,对流作用、地幔柱性质、漂移动力、漂移方式、大陆根等等。由于太空舱中不规则大量液体可收缩为球,由碎屑形成的小行星Ryugu和Bennu为球形,因此认为太空舱做实验可能对地球重大问题的解释有好的比拟作用,可能对统一各种动力学理论起到意想不到的作用。为此笔者发了两文:重力、自转地球动力学太空实验的建议与方案https://blog.sciencenet.cn/blog-3433895-1293001.html”和“地球动力太空舱实验的理由及实验粗方案https://blog.sciencenet.cn/blog-3433895-1299610.html。希望读到的读者提出你们的批评建议和方案,在此首先表示感谢!

3、地球释热与保温问题

引力位能在地球形成过程中,使得形成中的地球快速生热,至星云物质汇聚地球成为偶尔,地球也将保持一段时间的表面高温,过此后,会出现明显的将温。其实星云物质汇聚过程中,一边升温,一边降温。这是因为宇宙深空是冷的,根据热力学第二定律,地球形成过程中边升温边降温。但在地球的形成过程中,引力位能快速的转为热能,使得形成中的地球快速积累热能,而形成中的地球对外释放热能,以辐射为主,辐射量不及累积量,因而地球内部积累了大量的能量。杨学祥教授对地球获得总引力位能做了具体计算,有兴趣的读者可参看他的相关研究。

地球的升温和辐射,使得地球内部形成了地温梯度。在星云物质汇集地球成偶尔以后,地球的表面因降温开始常温结壳或常温固相,这是板块来源的基础。根据热力学,温度是粒子震动,结壳也就是粒子震动幅度变小,其物理表现为黏度增大,刚性出现。而在壳的下面,物质的相将遵守克拉珀隆方程,形成不同的岩石相状态。如目前壳下存在软流圈,再其下为高温固相等;软流圈的顶部应存在克拉珀隆方程下的较高温度的岩石固相,它是壳的一部分。

地球不在受陨石撞击,地球的大气圈,在球内性质作用下,大的灰尘回落地球,形成最早的沉积岩,大气开始变的清明,大气压逐渐下降,在对外辐射热能的同时接受来自太阳的能量。但地球的辐射持续的使地球不断地使大气,地表降温。地表的降温使得常温下的岩石刚性增加并下延增厚,这对热运动形成了桎梏。根据洋脊、岛弧重力资料,海沟负浮力,以及对对流结构的形成分析;杨学祥教授以对流,通过角动量守恒定律得出地球内部差异旋转,因而地球内部的受迫对流(热结构:点源、线源、链源、星源热结构)始终在进行。并且左右着大陆的开与合,可参见图1(2-6)和(8-11)。开形成新的大洋,合碰撞处形成巨大山系,并带来沉积褶皱等。但热结构在大陆下的未能造成大陆的开,链源下形成裂谷或地堑,点源下形成地洼或地台活化,参见图1(8-10)。在海洋热结构的生与死造成李三忠教授提出的微板块

表层的因降温常温下厚度的增加,同时使得地球整体收缩,高处和两极冰盖增厚,这种壳的增厚,对地球内部的热可起到有效的阻止作用。因而地球表面和大气主要靠来自太阳的能量维系,地球就会进入冰期,海洋形成海退;当冰期经历一定的时间,地球内部热不断地累积,从而使地球整体升温、膨胀,地球的壳在热的作用下,逐渐变薄,热结构再次活跃,大气逐渐变暖,冰盖消融,海洋形成海进。这一过程唐春安教授进行了精细研究,称为“龟裂理论”,也有学者称为“锅盖理论”。不论叫什么理论吧,根据他们的研究,地球始终处于脉动中,周期性的影响着地球内部和外部的热运动,进而影响着各种构造的形成及生物发展进程,也影响着地球内部物质的运移(如:冰盖增大增厚,其下物质,在球内性质作用下要调往它处;冰盖消融,在球内性质作用下它处物质汇聚于下,这也是一种动力学过程)。对于目前的地球升温,毛小平发博文认为,二氧化碳的作用是一个伪命题,对此我基于龟裂理论非常赞成。

4、自转与地外引力作用问题

若球体不存在自转和地外引力场作用,足够量多密度形成的球体为:多球层的正球体,,球内任一点的的强度为E=-GM(r)r/r3。当球体存在自转时,其球内任一点的旋转强度E=E(r)。两者的合力强度E=E+E,这一方程业已证明为偏椭球方程,从这一方程可以回答地球为何为偏椭球形。对地球而言,地球还受到地外天体的影响,主要包括,月亮、太阳、以及银河系的影响。根据以往的叙述,地球内部任一点的合力强度可用如下方程表述:E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)+E(l)+E(l),(r<R)r<R)。这一方程也证明是椭球方程,同时这一方程中含有以下各种主要周期:自转周期,月球引力变化周期、太阳引力变化周期、穿越银道面周期。根据相关学者的研究,这些周期影响着地球构造,及变化节律。如马宗晋院士揭示的地球韵律,其它学者揭示的地质事件平均约33Ma的旋回周期等。

但要解释这些规律,在此认为少不了热运动的参与。在热结构中,主要分为上升部分、回返部分。上升部分之所以上升,是因为密度的差异,以往的叙述称之为上升强度E,因此在热结构的上升部分中,任一点的合力强度:E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)+E(l)+E(l)+E(r<R)r<R);回返部分,上升流的上升,形成了热结构底部的负压,负压也可以表述为负压强度E,且与浮力强度相等,即E=-E。因此回返部分中任一点的主要强度合力强度为:E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)+E(l)+E(l)+E(r<R)r<R)。根据这二方程,热结构的上升流方向和回返流的方向,是随时间的延宕周期性变化着的,这种变化继而影响到周边小密度物和球内部物质以及沉积物的展布等,所以地球构造存在节律,旋回在所难免。而所有这些又要受到地球不断释热、保温作用的节制,因此学者们提出锅盖效应或龟裂理论,理所当然。

在前面的1-3部分叙述中,没有涉及上述各种强度,是为了方便叙述,但上述作用如影随形。

根据上面的讨论,在此认为离极力对构造影响,应当重新审视,也许笔者的认识是错误的,请批评指导!再多说几句:毛小平博士根据地球自转,提出周向应力地球动力学理论,笔者以为从上述讨论的方程,应能导出与周向应力的关系;同样池顺良教授提出驻波动力学理论,也应能导出驻波与上述方程存在关联。限于数理知识,不敢造次多涉。如有错解,请两位老师批评指导!

5、陨石撞击地球问题

万天丰教授系统总结了陨石撞击地球规律,并作为一种构造动力。根据上面的讨论,具体来说,从球内性质看:万天丰教授文中的陨石撞击地球,对于处于准平衡态的地球来说,被撞击的部位,质量增加,热力增加;这就破坏了原有的准平衡,根据球内性质,局部质量的增加地球内部会立即做出响应,应建立新的准平衡,使一部分物质抛向周边,一部分物质在地球内部向周边上下运移,从而引起固化的表层产生有限水平位移,甚至影响到周边热结构的展布;热力的增加,引起剧烈的爆炸,推动周边物质放射性运移。但这种撞击能否实质性的持续改变地球的构造演化,实难回答。就目前发现的陨石撞击地球陨石体量,与地球体量比,太小了。根据撞击遗存规模,在此认为热量很快消弥,影响极小;质量通过外抛后,所余残量不可能大规模影响构造运动,应是有限的。因此一般陨石撞击很难成为一种左右地球构造的一种全球动力,但影响局部构造是有可能的,而与地球比体量不可忽视陨石的不在讨论之中。如果错解万教授理论,请万教授批评指导!

6、对流热源来源问题

笔者的上述叙述,对于热的来源基本没有涉及。而在以往的叙述中,认为早期的对流形成,主要一是来源于引力位能、二是来源于势能转变而来的热能。但随着时间的推移,对流分异的进行,以及对外的释热,热能的来源与展布,确实是需要重视的问题,这对上部构造运动的展布很重要。马学昌老师曾对重核素做过系统研究,并认为进入地球核部的重核素,有可能产生链式核反应,产生巨量的热,形成局部快速升温,引发地球核外物质密度下降,从而诱发热地幔柱(羽)。到底是怎样的,可以说是一非常难以回答的问题。有资料显示,当压力超过140万个大气压时,可形成无粘性流。地核的外核是液性的,其性质是否是无粘性流,不得而知。杨学祥教授理论分析得出地球内部存在差异旋转,如果杨学祥老师能通过数理理论给出地球核部热能展布,就太好了。在此期望杨老师在此方面再立新功!

关于地幔柱(羽),在许多文献中,觉得只有上升表述,而无下降的的表述。显然不符合,上升物会造成负压这一基本物理规律,因此地幔柱仅是受迫对流的上升流,所以过分谈地幔柱(羽)如何如何,在此认为可能无益。如果这样理解地幔柱(羽)有误,请批评指导!

总结

对于地球动力学到底是什么?通过以上分析和过往叙述,认为:以一种动力解释所有构造问题应是不切实际的,因为首先遇到的问题是星球为什么是球形的动力问题,在在这个层面上回答什么是地球动力学?可以肯定的回答是球内性质。但对于具体的局部,如陆上造山带,除球内性质外,还应考虑热力的作用。对于陆的形成及分合漂移及碰撞,热力造就了不同组合的热结构,热结构推动分异(球内性质)出小密度物漂移碰撞及分合等。因此地球动力学是一个系统的科学,非要说具体的力,在此回答只有两个:一个是球内性质,一个是热力(地球内部热力、地球表面热力)。这两个力的不同形态组合,造就了任何一个星球的构造奇观。所以认真缠清两者的关系,是认识地球动力学的关键!是否正确还有待时间和实据的验证,因此欢迎各家学者提出批评指导!在此首先表示感谢!

另,刘庆生教授曾告诉我:一位国际这个领域的权威专家在公开场合询问同行:谁能告诉我,什么是大陆动力学?没有人响应。”吕洪波博士对地球动力持非常谨慎的态度,认为应当具体动力问题具体分析。它们二人的转述和谨慎,深受教诲,并在上述写作中受到影响,并尽可能对此有所体现。在此向二位老师表示谢意!也请更多的学者老师对我的叙述提出指导意见!在此首先表示感谢!

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