地球系统力学动力学（5）
李务伦
吉林省煤田地质局二零三勘探队
第五部分 大陆的聚、散或分、合
这一部分中心议题是大陆的聚、散或分、合，分以下步骤：1、讨论地球的元素组成是氧、硅、镁、铁，且由其形成的硅酸盐、铁等各种矿物物具有密度三分特性；2、根据实际资料讨论压力与以氧、硅、镁、铁为主矿物密度间的关系；3、讨论陆与海形成及与受迫热对流的关系；4、受迫热对流-热结构的组合关系；5、大陆在热结构作用下的汇聚与离散。
1、引言
前面四个部分的核心是球内性质，并系统讨论得出了共同作用定理、上升力定理、下降力定理、浮力定理和圈层化作用定理等。这些理论得出后，简单说了上升和下降时，小球附近物质仅是由于小球增量的作用附近大、远处小，简单总结了小球周边物质因上浮与下沉的下伏或仰冲运动。事实是：表面上的其它位置的“不动”，是作为“锚定”相互作用促成了小球周边物质及小球相对明显可观测到的运动，而事实是一切质点都在运动，只不过是远离小球的质点运动幅度小忽略不计而已。这为地球构造运动的整体观、系统观建了立理论基础。
作为浮力定理的特例的“浮力定律”是流体力学基础。之所以被称为定律，这与其被发现和使用范围有关。首先推测一下它的被发现，人类民智未开启前，也会和其它动物一样，即看到物体可以沉于水底，也可漂露水面之上，有时还会利用这漂露这一特性。当民智开启后，就主动利用这些特性，并不断的揭示漂露这一特性的内涵，有一个漫长的认识过程。第二、华夏天文服务农耕及度、量、衡的建立和数理的不断拓展，为浮力的量化和进一步应用提供了条件，在春秋时《墨经》就有量化的记载。长期的生产实践，对完全浸于流体中的物体，在确立物质的密度（本重）后，逐渐发现同体积的不同密度物体，无论密度是大于流体密度，还是小于流体密度，所受到的浮力仅与排开流体的所受重量（力）有关，这一结果逐渐成为华夏先民的共识。第三，由于实际生产的需求范围与地球体量比微不足道，以及引力理论的滞后发现和不影响日常生活与科研，从而导致浮力在引力理论被完善后，也没有人探讨浮力产生的数理理论根据，因而始终以定律（或原理）的面目示人，并局限于静止流体范围，认为固体介质中异密度物质不存在浮力。之所以在叙述以下问题前，再次讨论浮力这个话题是想说：能用于地球动力学研究的现行中学物理和大学普通物理，其适用范围较小的范围，再比如物理课上学到的压力p=ρgh、势能w=mgh这两个表达式，由于不知这两式是一种极限表达，应用这些理论则很难建立地球动力学系统观和整体观，说直白了就是研究地球动力学的数理工具存在严重缺陷，现有理论不足以支撑地球这个巨系统的构造形成，因而出现了婆有婆的论述，公有公的观点，都言之凿凿，相互间难以兼容。
地学家认为大陆与海洋是两个性质不同的地质单元，大陆以硅铝酸盐为主，海洋底部以硅镁酸盐为主，但几乎在所有的资料上，看不到之间的形成的联系。根据前面的讨论，假如两种硅酸盐黏度与水一样，地球的最外层是气圈、地球的表面是水圈，接着是硅铝酸盐圈，下部是硅镁酸盐圈等等，因而地球的表面就不会有大陆与海洋的分野。而形成这两大单元的机制是否可以从数理找到形成的机制？下面将进行探讨，同时探讨1965年由威尔逊提出转换断层。转换断层是继正、逆断层和走滑断层的后又一种断层[1,79]。这种断层表层特征已基本清楚，但是什么原因导致这种断层的形成，在能看到的文献中，学者们没有给出相应的数理理论的解释。下面也在理论上系统讨论地球浅层（陆体、海底）构造形成的底层逻辑和陆体的合与分。
2、地球起源及元素构成
为方便后面的叙述，简述地球的起源和元素组成特点，这是探讨上述问题的根本。
2.1、地球起源
关于地球的起源，1948年伽莫夫等在美国《物理评论》杂质上发表了关于大爆炸宇宙模型的文章：提出宇宙是由其早期温度极高且密度极大、体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷，由密到稀，不断膨胀的过程，犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸，即常说宇宙大爆炸。这次大爆炸发生在大约150亿年前，宇宙温度约为1000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子,如光子、电子或中微子。而后宇宙温度下降，元素形成，恒星诞生，各种星系形成，4.6Ga太阳系也诞生于此时，此时距大爆炸已过去100多亿年。新的物理宇宙学和核物理学的研究成果[2]：在大约6.6Ga前，有一颗超新星爆发，喷出了一大团炽热的弥漫的星云，其中含有六千余种核素和大量的质子、电子等微小粒子。特别算出了天然铀中235U是238U的1.71倍。星云温度迅速下降，经吸积作用先分裂成若干星云团，每个星云团又又吸积成一个恒星系；太阳系即为其中一员。关于太阳系形成的演化有各种学说：如原始星云说、灾变说、俘获说、新星云说；科学的地球起源与整个太阳系的起源连在一起。
地球是由较重元素所组成的星子聚集、增生，既通过吸积凝结作用而形成（Urey，1952；Safranov，1972；戴文赛，1979）。太阳由70%左右的H，27%左右的He，以及其它100多种元素组成；显然太阳以氢元素为主，它与太阳系原始星云的成分比较接近[3]27。重核素的分布离太阳越近，含量越多[2]。由于目前还不能从地球深部取样，人们常借助陨石来研究行星内部的成分，地球物理和地球化学资料可提供最重要的资料信息[1]11。
2.2、陨石类型和成分简述
陨石有如下三种类型[4]：
①、铁陨石 占陨石总量的6%，金属含量大于90%，主要由铁镍金属、陨硫铁以及少量的Fe，Ni，Co，Ti，Zr，Cu的硫化物、碳化物、氧化物、磷化物和磷酸盐，以及自然铜、石墨等矿物组成。铁陨石的平均金属含量在98%左右，由铁纹石和镍纹石两种矿物组成，主要是铁镍合金，其中镍含量4%～30%之间。根据微量元素多参数分类方法，可对其划分成13个化学群，11个岩浆型和2个非岩浆型，总称为M群。
②、铁-石陨石（石-铁陨石） 占陨石总量的2%，金属含量大约50%，由大致等体积的硅酸盐相和铁镍金属相组成。根据两相比例可划分出橄榄陨铁、中陨铁、古英铁镍陨石和古铜橄榄陨铁等四个亚类。铁-石陨石较为少见，但它从矿物组成、结构构造、化学成分和演化历史上都具有石陨石和铁陨石的双重性，因此对他的研究具有特殊意义。
③、石陨石 占陨石总量的92%，主要由硅酸盐矿物组成。根据是否含球粒陨石分为球粒陨石和无球粒陨石两个亚类。球粒陨石84%，无球粒陨石8%。
球粒陨石 是各类陨石中最常见的陨石类型，金属含量大约10%，最大特点是含球体，具有球粒构造。球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成，球粒间的基质常有镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。根据化学组成可划分为五个化学群：E群(玩火辉石球粒陨石)、H群(高铁的橄榄石、古铜辉石、普通球粒陨石)、L群(低铁的橄榄石、紫苏辉石普通球粒陨石)、LL群(低铁、低金属的橄榄石、紫苏辉石普通球粒陨石)和C群(碳质球粒陨石)。E群玩火辉石球粒陨石稀少，不常见；H群、L群及LL群统称为普通球粒陨石，亦称为O群球粒陨石。O群球粒陨石是最常见的一类球粒陨石，主要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成，其中铁和亲铁元素的含量以及金属铁/氧化铁之比依次为：H群＞L群＞LL群。C群碳质球粒陨石按化学成分可分为CⅠ，CⅡ和CⅢ三个类型。主要特征是含有有机碳化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成。
无球粒陨石 金属含量小于或等于5%，无球粒结构，其成分多与火成岩相似。无球粒陨石根据其CaO含量可分为：贫钙型，CaO小于3%；富钙型，CaO大于5%两类。无球粒陨石的硅酸盐相含量98%以上，特别是富钙型无球粒陨石几乎不含金属相，硫化物相含量一般为1%。陨石中共发现140种矿物，其中40种左右在地球上未曾发现过。
陨石化学组成 石陨石和铁陨石主要化学元素的平均组成见表5-1，从表中可知，组成陨石的主要元素是氧、铁、硅、镁四种元素，它们占质量的90%以上；在硅酸盐相中氧、铁、硅、镁之和均也大于90%。可见氧、铁、硅、镁的重要。
氧、铁、硅、镁及钙、钠、钾存在各种硅酸盐，而铁有富余，且铁与硅酸盐密度差别较大。而硅酸盐根据密度可大致二分，岛状、链状硅酸盐密度较大且密度相近，架状、环状和片状硅酸盐密度相对前者小且相近。也就是说有主要元素形成的地球，存在矿物密度大致三分的情况。这一点与目前地球壳、幔、核三分相暗合。
2.3、地球元素组成简述
地球的物质组成是根据球粒陨石成分的类比、地球深部地震波传播特征和高温高压实验成果推算的，其化学成分的估算与球粒陨石的化学成分基本相同，已得到学界公认。地球的化学成分与其它类地行星(水星、金星、火星)相似，由34.6%的Fe，29.5%的O，15.2%的Si，12.7%的Mg，2.4%的Ni，2.2%的Ca和Al，1.9%的硫以及1.5%的其它一百多种元素组成。另外绝大多数球粒陨石的形成年代和地球一样，铷-锶同位素法年龄为4.552Ga、锇-铼同位素法年龄为4.61Ga。由此推断，原始地球可能是以球粒陨石成分为主的星子聚集而成的。根据月球演化资料判断，这种陨石大量撞击并使地球的质量与体积不断增大的吸积作用，大约持续了五千万年，以后便按指数方程的特征快速衰减。最近4.0Ga以来，陨石撞击地球的数量骤减，由陨石撞击而造成地球质量的增大只增加了1025g，即大约增加了地球总质量（5.976×1027g)的1/600（阿莱格尔，1989），这就是说，近4.0Ga来，地球的质量和体积没有发生过大幅度的变化，吸积作用早已结束。[1]11地球在演化过程中使其具有有了圈层，各圈层化学组成不同。地核以金属铁为主，而幔、壳化学成分见表5-2。[5]38-59
从表6-2对氧、铁、硅、镁合计量（∑），可以看出氧、铁、硅、镁，地球中质量均超过90%。但在地壳中氧、铁、硅、镁总量仅为81.6%，钾、钠、铝、钙含量大幅升高，合计达17.50%；洋壳氧（44.00%）、铁（8.30%）、硅（22.60%）、镁（4.30%）总量79.20%，钾（0.083%）、钠（2.00%）、铝（8.50%）、钙（7.50%）含量18.083%；陆壳氧（46.00%）、铁（5.10%）、硅（27.9%）、镁（2.40%）总量81.40%，钾（1.9%）、钠（2.4%）、铝（8.3%）、钙（4.6%）含量17.2%。
从上面的叙述看，氧、铁、硅、镁在地球的形成上起着举足轻重作用，佐佑着地球内部的物质分布，进而影响着构造等问题。洋壳较陆壳氧、硅、钠、钾低，而铁、镁、钙则高，其原因是主要矿物的组成不同。
3、原始地球成长物理过程
地球的形成公认观点是源于星云物质的汇聚，但在汇聚的具体方式上或汇聚模型上又存在不同，有以下三种，一、均匀模型[1]；二、非均匀模型[1、6、7、8]；三、新的宇宙演化学说下的模型[2]。三种模型各以具体的地质事实或科学理论提出，推动了地学研究的进步。然依据地球脱胎于星云物质的汇聚，下面就原始地球的形成也提一些看法。
3.1、原始地球由星云物质汇聚过程
2001年澳大利亚学者Wilde et al在西澳太古宙沉积岩中测得年龄值为4.4～4.2Ga的碎屑锆石，其附近的沉积变质岩系中发现了一些由生物变质而成的有机碳。因此大规模的星云物质汇聚应在4.4～4.2Ga早已结束，其后仅是偶尔的有陨石撞击原始地球[9]27-29。有学者研究认为：陨石大量撞击并使地球质量与体积不断增大的吸积作用，大约持续了五千万年，尔后变按指数方程的特征快速减少[1]11。地球年龄通过同位素测年一为4.552Ga（Rb-Sr法，Stassen，2005），一为4.61Ga[1]11。根据前述最早的沉积岩，陨石大量汇聚于地球后，地球便转为地球自身为主的物理化学变化和内部引力场（物质迁移）不断地调整运动中。
星云物质集聚成地球有冷热两种观点，当某一较大星子对其附近星子的引力作用强时，引起附近星子撞向这一较大星子，使这一星子引力强度更大，对其附近星子作用力更强，撞向这颗星子数量将如图5-1由A点到B点快速增长。在增长的同时，内部引力系统也不断建立，位能转化为热内部温度增高。
任何矿物在一定的温、压下具有一定的相态--气、液、固。在常温、常压下固相的抗压强度最大，最大抗压强度意味着一旦外部压力再增大，固相的矿物会碎裂，压力方向矿物变薄，并向压力不变的方向延展，比如固体的石蜡，压力超过其抗压强度，就会向周边延展，再比如铁，重击下也会发生延展。由此而知固相态的物质也将表现为可塑态，具有流体属性，所以所谓流体要看具体的温压条件，并不是一成不变。这一点根据地震资料软流圈下地幔为固体确几近圈层，下地核为固体确为球体，可证明这种流体属性的存在。
这时不同密度物质，遵守上升力定理、下降力定理克服黏度后，将出现分异并圈层化，即物质堆积过程中遵守球内性质，形成含球层的球形并伴随始终。随时间推移由B点到C点将更密集和更多，因其周边星子的有限性和其它行星球也在形成中，到一定时间后撞向地球的星子达到高峰即C点，尔后随时间推移撞向地球的由C点到D点又快速减少，由D点开始更加迅速减少，直至偶尔有陨石物质落到地球。这是一个复杂的天体力学过程，与整个太阳系力学平衡有关。同时这一过程还是一个位能迅速转变为热能的过程，其它能使地球升温作用，但不如撞击使成长的原始地球升热来的明显及迅速。陨石汇集过D点后，根据前面第三部分知获得的最可能位能为2.241×1032J。
为说明原始地球形成的复杂性，方便认识原始地球的形成过程，下面以图1-2中的小行星Ryugu和Bennu为例[10]。从图片中可以清晰地看到小行星Ryugu的表面岩石碎屑，综合目前对Ryugu地形地貌、物性和成分等方面的探测结果，认为Ryugu的母体曾经历过水蚀变、热变质和多次撞击，最终由撞击形成的碎块重新吸积形成了现在的Ryugu。对于小行星Bennu基本情况与小行星Ryugu类同，具体到小行星Bennu含水矿物比Ryugu丰富(Hamilton et al., 2019)，经过多期次的演化形成了Bennu (Hamilton et al.,2019)。目前认为，Bennu的早期的自转速度比现在快很多，而且其自转速度和表面的物质会随时间不断演化(Barnouin et al., 2019; Scheeres et al., 2019；Walsh et al., 2019)。最近还发现Bennu表面持续喷射出碎块，通量可达150克/秒，这些喷射出的碎块还会被Bennu重新捕获成为它的卫星(Hergenrother et al., 2019)，具体原因仍有待进一步观测和研究。Bennu与Ryugu形态接近，密度仅为1.19±0.02g/cm3，具有高孔隙度特征。Ryugu和Bennu最新的探测结果表明，小行星虽然体型小，但仍然存在复杂的地质活动和演化历史。因此下面根据物理理论推测原始地球形成的变化。
通过对小行星Ryugu和Bennu情况的叙述，地球形成的过程中，同样经过剧烈的碰撞，无论原始的星子是何种状态，都将碎裂。这些碎裂的的形成地球的原材料遵循球内性质形成球态及内部引力场系统，根据前面对吸收能的计算，形成的地球继而出现温度不断的升高，各种物质的黏度将下降，内部压力不断升高，根据前面的上升定理、下降定理浮、沉运动产生，即发生物质的分异。分异的产生，同密度的物质将依据圈层化定理形成圈层。
在谷神星上的的冰火山更能证明重力的作用[11]，在图5-2中可看到冰突出谷神星表层，并在谷神星的引力场作用下向周边拓展，符合了球内性质，从而间接证明前面提出的各定理正确，尤其是平衡定理及物质黏度的作用。这两例应当说是明显的符合球内性质重力动力作用，另外还有大别-苏鲁超高压变质岩主要岩石为榴辉岩、斜长岩、片麻岩和面理化花岗岩[12]；西南天山高压--超高压变质岩，主要由绿片岩相、蓝偏岩相、榴辉岩相和少量大理石岩岩块及蛇纹石化超基性岩块组成[13]。学界共识是：它们是俯冲到深部后又折返的产物，从它们的组成看，它们俯冲到100多公里后，当形成俯冲的力不在后，总体密度小于围岩，根据球内性质和前面分析，折返仅是时间问题。
图5-2 阿胡纳火山——谷神星上的“孤独之山”，垂向高度放大了2倍（来源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA）
3.2、原始地球成长
随星云物质量如图5-1示撞向原始地球的增加，在球内性质约束下，将有以下三个问题产生：1、原始地球质量、体积不断增大，直至星云物不再向原始地球大规模汇集的图5-1的D点。2、随星云物质向原始地球汇集，质量和体积增大的同时，因位能转变为热能，原始地球温度持续增加，内部压力也持续增加，星云物质低压区黏度降低，高压区根据相变理论，无论星云物质是热还是冷，物质黏度可能增高。可相变增加的黏度，与压力相比小的多时，一是高粘度的物质也具有流体特性，二是以氧、铁、硅、镁为主形成的原始地球，物质随压力的增高体积减小，到一定值后结构将重组，密度又进一步增加，对此后面还会谈论。3、随星云物质向原始地球汇集、体积增大、温度升高，在球内性质、浮力定理和圈层化定理作用下原始地球内部物质展布向理想球态演进。
3.2.1、原始地球温度升高与相态
随星云物质在原始地球的增加：动能转化为热能和放射性物质释放的热使得形成中的地球升温；新的引力系统也不断形成，球内部引力强度、压力、引力位因内部物质的迁移将处于持续不断变化中，推测这一变化具的图5-3状态。
形成中的地球物质根据前面四部分的研究，处在力的不稳定、不平衡状态中。在这高温高压下的粒子根据克拉柏隆方程，物质发生相变，其推测如图5-3a方框所示。尽管是固体，一旦所处的位置的压力远大于其物质强度，固体将变为流体。在图9-2 a中最初的汇聚物质，无论如果是冷星云物质，可以推测刚开始的撞击所引起的物质温压变化，将导致物质塑固共存，见图5-3a温度T低。随着星云物质的增多，内部温压进一步增加，高温高压下的固体--固相出现，见图5-3a中Ta；固相伴随星云物质的增多将持续增多，压力超过140万个大气压将出现超固态见图5-3a中Tb到T0。在第三部分已估算出地心的压力为3638.403×108pa，而当物质处于在140万大气压下，物质的原子就可能被"压碎"；电子全部被"挤出"原子，形成电子气体，裸露的原子核紧密地排列，物质密度极大，这就是超固态；超固态是物质在空间内整齐的，紧密排列的具有超流体性质的一种物质[8]、[9]356。如果星云物质是热的，可以推测，撞击后温度更高，物质将更多的表现为更强的液态性或塑性。
原始地球吸集到图5-1 C处，温度如图5-3a升至最高T0，表层出现液体物，至少表现为塑性；而后随时间发展过图5-1 C处陨石逐渐减少，以至近于无，过图5-1 C处温度随逐渐下降，大气中的部分粒子回落地表，表层粒子粘度逐渐增大，直至变成固体，其下为塑性体，地质记录产生，所以物质的黏度不可不视为一种地球构造的一种动力作用；塑性体下因温度降低的慢仍为液体。内部温度也同步调整，变化规律如图5-3 b。温度的降低，根据克拉柏隆方程，距地表深处的固相将向地表方向延伸，同步的由地表的固相也将向下延伸，两者之间的物质也将由液态向塑性转变，从而形成今天我们能探测到的软流圈。
3.2.2、原始地球星云物可能展布
因为星子的空间展布不可能完全是按铁陨石、铁石陨石、石陨石由内而外顺序展布，存在一定的随机性，因此在集聚过程中，也将随机的集聚到原始地球上。根据陨石的类型，两巨大的最初第一次的陨石相撞至少存在六种情况，然而无论哪种情况发生，相撞都会导致原本一体的陨石的解体碎石化和相互混合，这一点可以从小行星Ryugu和Bennu（图1-2）可以看的十分清晰。而随后再撞入的陨石也会碎石化和混合，这一过程直至陨石汇集结束。这种碎石化和混合在球内性质的规范下形成球态。尽管存在混合但也不会完全均化，而是在球内三种陨石隔成许多单一陨石成分的区域，见图5-4。
综合前面的叙述，可以看到形成的原始地球内部存在以下三个问题：1、根据球内性质，在地球形成过程中物质展布的纵向和横向的不平衡；2、因撞击接触处升温快而导致的热的横向纵向的不平衡；3、因热的不均和不同陨石间接触、离子间的化学不平衡。
这三种不平衡中的化学不平衡已有地球化学家进行了详细的研究，故下面的研究仅限于与力学有关的话题。根据前面第一分到第四部分的研究，首先是所有物质在自身内部引力场的作用下，不断的自我修正球内部物质展布态，通过分异（上升力定理和下降力定理）形成中的原始地球，逐渐符合由内而外密度逐渐降低球内性质。图5-4的剖面中带箭头的曲线表示了因为原始地球因温度的升高，物质黏度的降低而产生的受迫对流。这种对流加快物质的分异，促进球内物质圈层化展布。
图5-6 固体体积和密度和压强的关系（1987年 龚明）
3.2.3、矿物性质与密度改变
空气受压后，体积变小，密度增大，可见空气分子间存在距离。对于固体同样也成立，见图5-6[16]，从该图中可看到固体在巨大压力下，体积变小，密度增加。而在前面的叙述中则没有没有提及这一问题，均为假设密度不受压力的影响。当压力远大于物质强度后，物质面对强大的压力任何相态的物质都将具有如标准大气压下水一样的流体属性，压力越大这种属性越明显。最好的证据是地球内核铁汇聚的球态。
图5-7中用表5-2的数据，给出了原始地幔、上地幔、下地幔、陆壳、洋壳主要组成地球主要元素的折线图。从表5-2可知，氧、铁、硅、镁原始地幔、上地幔、下地幔、陆壳、洋壳四元素含量分别为92.02%、93.5%、96.8%、81.4%、79.2%。从折线图上看到上地幔、下地幔各元素含量基本与原始地幔相同，并没有因物质迁移有太大的改变，而经过物质迁移后的陆壳、洋壳镁较原始地幔、上地幔、下地幔减少明显，铝、钙明显增加，其它基本没有改变。这是地球形成过程及完成堆积后不断的进行着物理化学的结果，至于具体的物理化学细节，地球化学家已做和正在做着研究，就直接应用它们的成果，图5-8就是目前能搜得到成果。
33km以下的上地幔中，物质的组成结构随深度变化而变化，其密度也不断地改变。根据已前面推出的压力计算公式和推测球内温度变化，温、压随深度而升高，物质的密度除受压力升高外，还进行重组，形成新的密度增大的矿物，图5-8的图示可以得到很好的佐证。从图5-8可以进一步推测，由于压力和温度的进一步升高，上述的密度增大再组合将还会发生。到下地慢目前虽没有元素再重组的资料，但密度增大可以从图5-8知随深度增大而逐渐增大。由此可以得出以下的合理推测：在地幔中随着距离球心的缩短，由氧、铁、硅、镁为主要组成元素的地幔，元素组成的矿物不断地发生向大密度矿物相的改变，及矿物受压力密度进一步增大的变化。这一推测应该倒过来也成立。
4、原始地球的物质迁移
原始地球形成过程中和完成后，所有物质都处于不稳定不平衡中。不在组成地球主要元素之列的那部分元素（1.5%），其中一部分元素组成物质率先在形成中的地球形成原始地球的第一个圈层--气圈。最初的气圈可能是还原性，主要成分是氢气、氦气、一氧化碳；次生大气出现在4.5Ga至2.0Ga，主要成分是二氧化碳、甲烷、氮、硫化氢和氨；现代大气以氮、氧、氩、二氧化碳等气体为主[18]。但原始地球内因物质的黏度，内部圈层则还不存在。
原始地球获得的理想位能为2.24×1032J，这一能量使得原始地球升温，科学家们估计的地球升高温度不超过一千℃。长寿命的放射性物质的衰变等化学能的释放地球内部慢慢升温，4.5Ga逐渐演化出“岩浆海火球”阶段，此时地球的平均温度可达四千℃[18]，所以形成原始地球矿物黏度变小，这有利于原始地球内部密度三分的物质以球内性质理顺所在的位置，见图5-9左、右两侧。
图5-9[18] 地球演化
物质的迁移使得内部温度升高和旋转速度增大，但也使得内部的温度也更不均衡；表层则是不断分异出的较轻的含绿色橄榄石的绿岩。由于地球向外太空辐射热能，使得表层黏度逐渐升高，经五亿年的演变为图5-9中间的图示[18]。由4.5Ga的岩浆海或更早，地球表面已有少量的低密度硅酸盐，之所以出现这种情况，是因新的球内引力场建立。新的力场下密度三分的物质，在上升力和下降力的作用下，各自克服运动阻力以图5-10中图1.示的物质运动，所以岩浆海初或稍早，不均的地球内部将出现图5-10中图2.示的大的规模物质一种运动方式。另一种是受迫对流的（与烧水原理相同）形成，之所以形成对流，原因有二，一是铁元素等内迁造成的局部高温，二是重核素在分异作用下U析出、内迁于内核，当在地核内部，当235U的聚集浓度超过31.5%，集中超过临界质量(约数百千克)，核链式核裂变发生，也形成高温[2]。
上面的热源使得氧、铁、硅、镁为主的幔底部物质压力局部增大并向周边球形传播，从而引起径向的地球膨胀，这是一；二、这一热源加热上部物质使得密度变小低于周边。根据上升力定理，密度变低物质除了远离球心外，上升物质也对其上部物质传导热能增加塑性，在上升物的周边，根据下降力定理下降至加热处，受上升物后部负压影响进入上升物的底部获得热能，接着跟进上升，从而受迫热对流形成，图5-10中图3下部的对流。对流在底部热能持续作用下，直至到达低密度的底部并不断在低密度底部推动低密度物向周边运移，这一变化见图5-10中图3上部的对流。只要下部热能持续不断，岩浆海阶段的地球具有图5-10中图4很多对流，且将低密度物质完全推向对流体的如图5-10中图4图示顶部周边。不断迁移的小密度物在小密度的底部不断“沉积”；对流中的小密度物先是出露于对流的顶部，然后随着对流的进行，顶部的小密度物也会在对流与小密度物接触处或小密度物底部，脱离对流成为小密度物的一部分。
图5-10
图5-10中图4所示的对流与低密度的位置关系，当地球的表面处于高温，低密度物质根据球内性质，低密度的物质除边缘薄外外，其余部分等厚，但当温度下到一百摄氏度，黏度增高，在对流与低密度物接触的外部会出现图示的隆起。隆起部分及其后部遵守平衡定理存在于环境所在的环境中。物质的高黏度锁定相当位能及高压，当高压突破物质的黏度，火山喷发。这种火山喷发仍在不断的进行中，如日本列岛、阿留申群岛等上的火山。
上面提到的受迫对流，假设为酒精登烧水至沸腾状，受迫对流撕裂推动小密度物围其周边，是海底扩张的发祥之始，是海洋与陆地分野之肇端，因此有必要对对流的主要特征做一归纳。一、上升流底部大中部变细之后又变大，且伴随物质重构和密度减低，这一特征见图5-11对流中画有方向两对称近椭圆形中部围限的中间部分，它是目前所称的地幔柱，状如蘑菇；中部依据平衡定理高于周边。二、俯冲是上升流上升能量完全消耗近后，在重力或球内性质的作用下中部物质上升的最高点向四周带着分异出小密度物向四周运移，并因密度大于小密度物下伏于小密度物之下（或遵守球内性质：密度由内而外变小的规律），它是最初的洋底。三、上升流的上升制造了最初部位真空，真空部位将对周边物质形成吸引，并引起被吸引部位后部斜上物质的陷落，直至与俯冲相衔接，至此对流完成闭环，详见图5-11。在该图中给出了质点的运动轨迹，而这一轨迹是流体力学中的流线。实线是上升流质点的运动轨迹，虚线是负压陷落质点的运动轨迹，红色线是负压吸引物质经加热后的物质质点运动轨迹。
为方便后面的叙述将对流划分为以下两个源，上升流是物质经热源经加热后形成的，上升流上升到最高位置虽经重力作用发生折返，但仍可看作是热源的作用，因此可以简化为图5-11左下侧的图示热源热运动流线图；下降流（物质陷落）是负压引起的，也可以是一种源，因此比照热源热运动流线图，可以简化为图5-11右下侧的图示负压源物质运动流线图。所示图5-11的热运动命名为点源热结构。点源热结构是一种具有双重作用的热运动，因此在俯冲处又具有负压力和下沉力双重叠加的特征。
5、热结构的种类及相互间干涉状态等
除上面图5-11点源热结构外，还有其它的热结构形态。
5.1、热结构种类
根据目前大洋中脊的形态，除了图5-11的点源热结构，还存在如下两种热结构：一、线源热结构图5-12，热源呈均匀长条形状；二、星源热结构图5-13，由三个线源热结构，其中一端共于一点，这种星源热结构还可以可以看成点源热结构与三个线源热结构的组合。而为什么存在这些热结构，坦白的说目前笔者还不能从数理上给予回答。
5.2、热结构间相互间干扰
流线与流线具有互不相交的特性，不同热结构相遇，不同热结构的流线间相互干扰，依据上述理论对以上三种热结构，两相同的点源热结构相遇具有图5-14的流线相干图，并且以图示的L为对称。两相同的线源热结构流线相互干扰如图5-15，左侧这种状态与图5-16转换断层同形态，由此可以预见，转换断层是热运动不同热源错位形成的。
图5-15
图5-16洋中脊形态（谷歌地球截图）
5.3、热结构的径向全地幔存在粗论
热结构在原始地球形成的过程中，在图5-4中每一高温处，都会形成不同形态的热结构。这些热结构距地球的表面深度不同，但随着地球汇聚的完成，铁类高密度物质不断的汇聚与地球球心，因位能不断地转换为热能，地心温度不断地升高。这种高温因对上部物质加热，促使热结构也就不断地下探，因而形成图5-10中4源于球心的热结构。可见地球内核的局部高热的，而外部沿径向向外均低于该高热处。依据热力学第二定律，高热地方的热将沿径向向底热的地方传热，被加热的的物质根据热力学第一定律将对外做功，各向方向的力值相同，但被加热的物质根据上升力定理上升力的方向背离地球球心，这一力就决定了热结构增长方向；同时由于地幔物质的矿物构成以氧、硅、铁、镁为主，随热结构增长顶部的以氧、硅、铁、镁的再组合使岩石密度降低体积增大，当使热结构有足够热力，热结构只能全地幔运行。这是在理论上对对流全地幔的论证，而下面的俯冲图5-17可进一步证明存在的合理性。
图5-17俯冲物质，尤其是太平洋周边的俯冲更能反映全地幔热结构存在的合理性，特别是俯冲所能到达深度更能反映这一合理性的正确。但俯冲的方向均指向大西洋方向，是由于太平洋在收缩，大西洋在扩张。可进一步说明需结合大陆的运动及分裂和聚合才能说明这一问题，下面还将这一问题进一步讨论。
6、大陆的形成、运动和聚散
原始地球形成后，最先早一批小密度物质通过分异密布于原始地球的表面（图5-10中2）；到岩浆海阶段，各种形态的热结构多而密的存在，小密度物展布如图5-10中4。这一阶段的地球半径，因分子间距离大应是达到最大。而随着地球表面温度的降低，岩浆海退却，热结构顶部和小密度物逐渐变为固相也不断地下探，同时进入太空的汽化物质回落地球表面，海洋出现。这一阶段地球的半径，因分子间距离变小，使得地球半径变小。这应是地球最初的膨胀与收缩（脉动）。在收缩过程中固相地球表层物，即存在“干缩苹果的收缩”，同时也存在收缩断裂和龟裂等。固相的地球表层因热阻的对热能有效阻隔，这对后期的演化中的地球半径“脉动”扮演重要的角色。现在人们最为关心的是这样一个问题---陆地的聚合与离散，下面就讨论陆体的聚、散或开、合等。
6.1、陆体的聚、散
图5-10中图4，反映了原始地球热运动在球内性质和各种定理规范下小密度物不符合球内性质的一种符合平衡定理状态的稳定。
图5-17各种俯冲状态图
图5-10中图4图示的热结构仅是热结构组合复杂代表表示，事实是如图5-18的各种热结构的球面存在。在图5-18中组合的热结构中即反映内核热源组合的复杂，也反映了这种热源对小密度物的撕裂及外推作用。热能越强，小密度推的滑动越远。在岩浆海阶段当右侧组合热结构强劲，左侧热结构减弱，右侧组合热结构扩张，左侧组合热结构收缩，从而使得两组合热结构间图示的小密度物在玄武岩的顶部左滑移，减弱的热结构周边的小密度物回侵；左侧热结构消失周边小密度物全面回侵，同时建立新的物质再平衡。左侧组合热结构扩张，右侧组合热结构也强劲不减，两者间的小密度，岩浆海阶段滑移到一测或两侧。
图5-18
而当地球表层及表层下也降温形成固相，是各种地质现象记录的开始时。图5-18左侧组合热结构扩张，右侧组合热结构保持强劲，左侧的扩张先是推动小密度向周边褶皱隆升或引起小密度物错断及低角度横移。中间的小密度物被挤压隆升，并有可能外逃或原地不动。对比岩浆海阶段小密度物的作为，小密度物的黏度的动力作用不可再轻视，黏度是地质构造的记录者，应力的锁定者，因此黏度比照各种动力学假说，黏度也应视为一种地球动力学。图5-18左侧组合热结构因底部热能不断的减少，并与周边同温，而右侧组合热结构扩张，将引起中部的小密度物将漂移，为说明这种漂移，也为说明大陆的聚合，用图5-19厘清大陆的“漂移”。
图5-19a是小密度物和热结构，图5-19b到e演示了小密度物从开到合，又从合到开的过程。取图5-19a取AA′，其下具有图5-19b平衡稳定热运动状态，但当中部的热能供给减弱，热结构规模收缩，原有的平衡改变。而两侧的热结构热能不减反增，这时的两侧热结构对图示的小密度物和小密度物下部物质作用力增强，这是一，二、增强的热结构体量增大，顶部面积显然也增大。增大的热结构也在改变原有的平衡，收缩的热结构使得物质剩余，根据球内性质，增大的热结构物质需要富余地方物质予以补充。两侧图示的热结构底部物质上升造成后部负压，这一负压使得高压处的物质向该处运动。图5-19c示中黑色斜下箭头就表示了这种运动，这种物质运动产生的同时也使小密度物及下部物质向中部运动，图5-19c示的水平黑色箭头就表示这一运动，大陆漂移形成，被动大陆边缘形成。
由于大西洋等在扩张，太平洋在收缩，根据上面分析，太平洋周围俯冲带（图5-17）一至向外的情态也就有了理论根据。至于其它形态的俯冲情态与地球内部相应热结构有关，至于如何形成，以后单独再次讨论。
持续的上述小密度物向中部的运动，最终碰撞在一起。在碰撞部位由于存在大量沉积物，就会形成图5-19d示的碰撞隆起带。碰撞隆起带规模取决于两侧热结构热能的大小，当碰撞隆起带稳定后，被动大陆边缘消失俯冲带重现。这便是大陆的汇聚，也是陆体不断增大的方式。下面在讨论大陆的解体。
假如在图5-19d的小密度物的下部任意部位重新升起新的热结构，同时两侧的热结构收缩，根据图5-19c到图5-19d的聚合过程，新的热结构不断增大，收缩的热结构不断的缩小，就形成图5-19e图示的小密度离散。在小密度离散的过程中先是形成东非大裂谷的盆地，最后形成大西洋的大洋扩张及大陆的漂移。也有一种情况是，由于热能小，假如东非大裂谷底部的热能不再使其活动，转而以接受沉积为主；或热能适度，沉积也相应就是陈国达先生所倡导的小密度物出现活化，即地洼构造。
6.2、热能的来源
通过上面的讨论，从一个新的角度讨论了大陆的聚、散或开合依赖热能，而热能的来源最初来自引力位能，后期热能的来源，在所能收集的资料中，从马学昌（2016）论文[2]得知：“地球这颗类地行星中重核素U、Th、Pu和放射性元素K。这些放射性元素虽比太阳少，也远远高于非类地行星极微量。这些放射性元素释放的衰变热，约需数百万年甚至上千万年，熔出天然铀，迁移集中某一深度上。天然铀中235U的浓度为31.5%，集中超过了临界质量(约数百千克)就会引发链式核裂变。直到4.5Ga前，天然铀中的235U因衰变渐减直23%以下，不能再支持铀的链式核裂变。铀的核裂变停止，行星热量因对外太空辐射而大减，熔化的岩石又开始先从地表向内凝固。类地行星上的链式核裂变发生后，235U裂变释出的中子被238U吸收，生成239Pu，钚元素本已完全衰变，至此又重新生成。239Pu的核物理性质优于235U，其临界质量为0.51kg，易发生链式核裂变。于是星体上就有了铀和钚共同的裂变热。至4.5Ga铀的链式裂变停止后，钚的链式核裂变仍在进行。生成热少了，星体开始凝固。钚仍在星体内产热，驱使星体发生构造运动和火山活动。铀、钚生成的热，使得物质迁移，形成具有圈层结构的核、幔、壳三大圈层。三圈层又分别二分。内地核所受压力巨大，物质在高温高压变为特殊固态，核裂变都难以撼动。铀、钚(19.8g/cm3)、钍(11.7g/cm3)向地核内核表面聚集，链式核裂变发生在这里。释放的能量在内外核之间，造成很厚的过渡层。从而成为供给地球演化能量的大本营。”
因为笔者无力从理论讨论地球内部热力的来源，虽有其它学者对地球内部热源也有其它的讨论，但觉得马学昌老师的研究更有道理。所以笔者认为上述热结构的运行热能的来源。可出现目前热结构的组合是怎么形成的，1996年国外发现地球内核快速旋转，同年杨学祥等用数理理论论证了这一现象存在的合理性。而地球所含重核素分布于地球内部的各处，不可能同时汇聚到地球的核部，而是“细水长流”，又由于地球内部旋转的差异及时快时慢，笔者推出可能影响重核素的汇聚的形态，可有各种形态，如圆状、长条状及星状，因而有了火山、三联点及转换断层。这些热源运行时间有长有短，学者们由此提出地球动力学学说。
6.3、陆体分离特征及负浮力根源
陆体分离目前仍在进行中主要是大西洋，主流说法是海底扩张。但海底扩张目前学界一些学者提出了质疑，主要集中在海底磁条带和海底岩石年龄。磁条带并非完全平行现有的大西洋中脊，岩石海底采样年龄并非由洋中脊向两侧由新到老，并存在老的硅铝物[20]，该特征以任继瞬院士等的研究最为祥实（《寻找消失的大陆》），下面就叙述这些。
图5-20为同一地点海底地形图，从图中可以看出两者间存在相当差别，左侧大西洋海底地形图上东西向相互平行的转换断层清晰可见，右侧海军海底地形图则不见转换断层的踪影。大西洋中发现古老地层，大西洋中脊脊部附近的鲍尔德山，全部由16.9亿年～15.5亿年的花岗岩构成，被年龄为7.85亿年的镁铁质岩墙侵入，该山长13km、宽5km、高3km，不可能是‘冰川漂砾’。现在，在大西洋中脊已查明了数百个这类花岗岩产地。
图5-20北大西洋海底对比图
2015年，任纪舜院士等著文《寻找消失的大陆<2015>》质疑海地扩张，并列举全球大洋中23处大陆残块和陆壳残迹，他们的展布见图5-21。大洋中残留陆块依次是：1）扬马延海脊；2）罗考海台；3）里奥格兰德海台；4）福克兰海台；5）塞舌尔海台，图11-4；6）喀麦隆岛和戴维海脊；7）莫桑比克海岭和厄加勒斯海台；8）凯尔盖朗海台；9）布罗肯海脊；10）洛德豪海隆；11）坎贝尔海台和查塔姆海隆；12）翁通爪哇海台。
图5-21
通过两个事例怀疑海底扩张显然有道理，是否海底扩张就不存在呢？根据目前的反复测量，大西洋在变大，太平洋在收缩，海底扩张是不可否定的。
下面就解释上述情况产生的原因，在前面部分解释陆体解体图5-19e仅显示一个热结构，而事实上可能有多个热结构同时作用于陆体的解体，如图5-18所示。多个图5-18所示热结构同时在陆体的底部撕裂陆体的同时，热结构间可使得一些陆体或硅镁岩得以保留，同时由于热源的位置不可能不产生位置动荡，及热源的消失，大的热源仍在继续，而形成目前的大洋中脊。发生这一情况的原因，提供的放射性元素有多少之分，少的热能释放完毕后，热结构运动停止，而硅铝物等滞留原地，就形成图5-20和图5-21的状态。当然这一推出目前没有具体实证，仅是一种理论性的推测。待资料收集更多后，再详细论证。
大西洋北部曾进行过存在洋中脊的重力测量，布格异常显示洋中脊部位存在质量亏损，这与均匀球内存在低密度小球相吻合。有学者在海沟处做了重力测量，又发现海沟吞噬海水，据此提出海沟处存在“负浮力”。“负浮力”和海沟吞噬海水产生的原因，根据前面的分析是上升流上升带来的负压而传导导致的，这一点可通过图5-11和图5-19自然得出。
8、各种地球动力学出现的原因
毛小平博士对各种地球动力学做过汇总，不下四十种。如此多的动力学，通过以上连续五个部分的讨论，笔者认为实属正常。以图5-10中图4.和图5-19为例。根据球内性质，由于小密度物不是同厚的圈层，①以引力强度为参数，可以得到引力强度梯度动力学或重力动力学；②以引力位为参数，可以得到引力位梯度动力学或势能动力学；③以压力为参数，可以得到压力动力学或压力梯度动力学；④核球球心和地球质心因小密度物球面不连续展布，质心并不会汇于一点，随着陆体分与合质心会运动，可以得到质心动力学或球心动力学；⑤由于小密度物球面展布，从每一剖面看，小密度物具有向球面圈层化的的动力，因此又可得出拱形桥支撑力动力学；⑥地球内部热运动由剧烈到平缓或由平缓到剧烈，固相的小密度物和海底底部将周期性改变，因此将可以提出黏度动力学、锅盖动力学、应力积累动力学、脉动动力学等。⑦根据具体构造状态，还可以提出其它名称的动力学，所以不在述说。
然要说的是，所有这些动力学核心是球内性质及球内合力强度方程等。而有了以上地球系统力学的系统性的数理推演，笔者认为地球动力学研究可能走上一条简单易行的研究道路。因此敬请读到的老师提出批评指导！
8、结语
这一部分主要解决陆体的合与分，以理论为主，虽也有一定的证据，还是稍显薄弱，但笔者自认为其逻辑能够自恰。所以目前先写出来，让能看到老师指出不足和错误，以促进地球科学的进步！后面的还将写一系列文字，将就具体的地质现象依据这五部分的基础，给出新的解释，如地台地槽、盆地、造山带等等。
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