为什么地球大冰期对应地球自转减慢?

杨冬红^1,2, 杨学祥³

（1. 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 长春  130026; 2. 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室, 长春  130026;

3. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春  130026）

    摘  要  本文通过资料分析和模型计算，得到地球自转速率长期减慢趋势和周期波动规律的形成原因。潮汐摩擦是地球自转减慢的主要因素，重力分异和圈层角动量交换是地球自转周期变化的主要因素，重力分异造成的地球各圈层差异旋转是地壳自转变化先慢后快的特殊因素。重力分异将一个均匀的自转地球变为分层的差异旋转地球，在质量向地心集中的同时，自转动能也向地核集中，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快。圈层角动量交换将地球自转动能变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快，地核自转变慢。核幔边界积累的热能周期性使外核热膨胀，为热幔柱和火山活动提供了能源和动力，火山活动高峰对应地球自转加快是证据。计算模型表明，地球自转速度变化的规律和历史记录证明重力分异和圈层差异旋转是地壳运动的主要动力，受地球自转速度变化的约束，地球体积不会有较大的胀缩，国内外测量结果证实了这一结论。

    关键词  大冰期，地球自转，重力分异，差异旋转，潮汐

Why is ice-age concern with slow variation of Earth’s Rotation speed

YANG Dong-hong ^{1, 2}, YANG Xue-xiang ³

(1. Research Center of Palaeontology & Stratigrfaphy, Jilin University,Changchun 130026,China; 2. Key-Lab for Evolution of Past Life and Enviroment in Northeast Asia, Ministry of Eduation China, Jilin University, Changchun 130026, China;

3. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026,China)

Abstract  Based on the data analysis and model calculation, the authors obtain the forming reason of earth’s rotation rate slowing down in long-term and periodic fluctuation laws. Tidal friction is a major factor of earth’s rotation slowing down, the gravitational differentiation and earth differential rotation are the major factor of earth’s rotation cycle change, earth differential rotation which caused by gravitational differentiation is the special factor of earth’s rotation change from slow to fast. Gravitational differentiation divides a uniform rotational earth into layer differential rotation one, when the earth mass is gradually concentrated to earth core, the kinetic energy of earth’s rotation is also to the core, which makes crust and mantle rotation decrease and core rotation increases. Circle layer angular momentum exchange makes kinetic energy of earth’s rotation into heat energy and accumulates in the core-mantle boundary, which make crust and mantle rotation increase and core rotation decreases. The energy periodic makes thermal expansion of outer core, which provides energy and power for thermal mantle plumes and volcanoes, the longest sustained warm period in ancient centuries occurred in the Gretaceousperiod, following the strongest eruption of volcano and high speed of the earth rotation. The calculation model shows that the laws of earth’s rotation rate change, gravitational differentiation and differential rotation are the major power for crustal movement, earth’s volume constrainted by the rotational rate change can not swell-shrinking greatly, the measurement results at home and abroad confirm the conclusion.

Keywords  ice-age, earth rotation, gravitative differentiation, differential rotation，tide

1  均匀模型的假象和分层模型的圈层差异旋转

全球变化是一个复杂而庞大的过程，由众多简单的过程叠加而成。最近研究发现，当一个均匀的自转地球通过重力分异变为一个分层的差异旋转的地球，质量向地心集中将导致地球转动惯量变小，地球自转应该变快，可是地球表象并非如此。理论推导和实际测量表明，由于科里奥利力的作用，上升轻物质西移，下降重物质东移，地球表层自转变慢，地核自转变快。给人的表面现象是，地球在重力分异后自转变慢，地核的自转变快被掩盖了，总体的转动惯量变小被掩盖了。潮汐摩擦导致的地壳自转减慢又加强了这一假象。

差之毫厘，谬以千里。用均值密度模型代替分层模型，会得出与实际相反的结论。

Whyte指出，在过去4.5亿年中地球旋转速率、地磁轴视极移、洋脊的活动、海平面和气候变化有伴随出现的现象。地球旋转加速时期主要对应了正极性时期，而旋转减慢时期主要对应了负极性时期，前者如志留纪至早泥盆纪和中生代，这阶段由于地球旋转速度加快，使地磁极具正极性、洋脊活动增强、全球性海侵和古气候变暖。自晚泥盆纪至二叠纪和新生代，是地球旋转速度减慢时期，表现为负极性为主、洋脊活动减弱、全球性海退、气候剧烈变化和出现大冰期。这些资料表明，在几亿年时间尺度上，各种地质旋回有一定程度的相关性存在，与地球自转速度变化相对应。我们讨论了地球自转速度变化、构造运动、地磁极性倒转和灾害性气候相互对应的地球物理机制。图1-2 和表1给出了相关数据。

图1  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ^[17]]

Fig. 1  The change in number of days in synodic month in recent 5 hundred million years [after Ren, 1990 ^[17]]

比较图1和图2，其形状的相似性表明地球自转与火山活动的相关性：自转加速对应火山活动高峰，自转减速对应火山活动低谷。白垩纪后地球自转速度的急剧变化在火山活动曲线上没有表现，其原因可能与地核重力分异、小行星或彗星撞击地球等突发因素有关。

图2  北美火山活动曲线[据 Engel and Engel, 1964^[23]]

Fig. 2  The cure of volcanic activity in North America[after Engel and Engel, 1964^[23]]

由于内核相对地壳地幔的差异旋转，核幔角动量交换使部分旋转动能转变为热能积累在核幔边界（赤道处的核幔速度差最大，积累的热能最多）。超级热幔柱在海底赤道区喷发，加热了底层海水，并引发赤道和两极之间的海洋整体热循环，降低了赤道和两极大气的温差，使两极的海温和气温逐渐上升到冰点以上，形成中生代全球无冰温暖气候。有证据表明，随着热幔柱喷发强度的减弱，近一亿年间海洋底层水冷却了摄氏15℃，大气冷却了10~15℃。海底火山活动引发的深海热对流在全球气候变化中的作用不容忽视。表5给出了这种地质旋回与地球自转周期的相关关系，热幔柱强烈喷发导致大量生物灭绝。

图3 巨大火成区

图4 巨大火成区规模对比

表1  地球自转周期与地质旋回

Table 1  Earth’s rotation periods and geological cycles

    根据地质和气象等综合数据，表6给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律，与图1和图2的地球自转变化曲线和火山活动变化曲线相对应。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

表2  地球自转周期、地质旋回和地磁极性倒转

Table 2  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse

大冰期对应地球自转减慢，这与简单的模型模拟遇到难题：因为大冰期时期低纬度圈100-200米海水层变为两极冰盖，地球的转动惯量变少，地球自转不是变慢，而是变快。

那么，地球自转变慢的因素有哪些呢？

2  地球自转的长期减速的原因

自从20世纪60年代J. W. Wells 发现生物钟现象以来，对珊瑚、双壳类以及层叠石的研究发现，500Ma年前每年有420天，现在为365天，这表明，地球的自转速度是长期减慢的。Scrutton、Pannella和Lambeck综合了古生物钟的最近进展，对比结果表明，由生长韵律求出的结果与现代天文观测的结果符合的相当好。

根据潮汐理论，潮汐摩擦导致的地壳自转减慢，使日长每世纪增加2.3±0.1ms（毫秒）。利用古代关于日月食、月掩星、天体会合等天象的观测记载，可以研究得到地球自转的长期变化，一些结果表明，在过去二、三千年间，地球自转长期减慢的平均效果是每世纪日长平均增加约1.7±0.05ms，小于潮汐摩擦理论得到的结果。因此，人们认为一定存在着使地球自转加快的因素（人们将它们统称为非潮汐因素）。利用卫星激光测距资料推算的结果表明，冰期后的地壳反弹和下地幔的粘滞性基本可以解释地球长期自转减慢变化中的非潮汐部分。

地球各圈层成分的不同，是重力分异造成的，地球表面的重物质在重力作用下向地心集中的同时，地球动能也向地核集中，加快了内核的自转速度，减慢了地壳和地幔的自转速度，形成了不同圈层旋转速度的差异，其中内核旋转最快，地壳最慢，这就造成了重力分异使地球自转变慢的假象^[11-15]。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°^[14]。当核幔角动量交换将动能转变为热能积累在核幔边界时，由于重力分异导致地球转动惯量减少，地球各圈层的平均转速将加快。这一非潮汐加速因素一直被地表假象所掩盖。因此，重力分异导致的地球转动惯量减少是地球自转速度长期加快的非潮汐因素，它引起的相关效应不能忽视。这表明，地球长期自转减慢变化中的非潮汐加速因素并没有完全找到。

模型计算表明，早期均匀地球的初始自转角速度ω₀为4.36×10^-4rad/s，自转动能为9.2×10³⁰J。重力分异使一个均匀自转的地球变为分层差异旋转的地球，由于重力位能降低，位能减少量为2.3×10³¹J，其中1.05×10³¹J转变为地核的动能，1.25×10³¹J转变为热能使地球增温1500℃，分层差异旋转的地球自转动能增加到1.97×10³¹J。这一时期的特征为：内核自转变快，地壳和地幔自转变慢，圈层自转速度差变大，地球表面出现自转变慢的假象，与大冰期时期的自转减慢相对应。

核幔差异旋转最终导致核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w₀自转（即地球整体自转变快），地核输出自转动能1.25×10³¹J，其中，3.85×10³⁰J使地壳和地幔的动能增大，8.66×10³⁰J变为热能积累在核幔边界。这是外核是地球内部唯一的液态圈层的原因。现在地球的自转角速度为1.2w₀，日长T为初始均匀地球的5/6，大约减少了17280s，自转速度加快了20%。核幔边界的热能积累导致热幔柱和超级火山强烈喷发，这是全球温暖期对应地球自转变快的原因。

3  结论

重力分异导致地球圈层差异旋转，导致地壳地幔自转减慢，内核自转变快，形成地表自转变慢的假象，对应地球大冰期。

核幔角动量交换，将内核动能变为热能，集中在核幔边界，形成热幔柱和超级火山喷出地表，导致地壳地幔自转变快，对应全球温暖期。

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