地球物理学的重大发现：重力分异使地壳地幔变冷地核变热

                          杨学祥，杨冬红（吉林大学）

大冰期对应地球自转减慢

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。表1给出了相关数据。

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。

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。

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2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。显然有更大规模的效应抵消了两极冰盖对地球自转的作用。

重力分异使地壳地幔变冷地核变热：能量集中在地核

如图1所示，均匀地球模型中青物质和种物质都均匀地分散在全球。重力分异使重物质向地心集中，转动惯量变小，自转变快，位能变小转变为地和的热能；重力分异使青物质上升到地表，转动惯量变大，自转变慢，位能增大，根据能量守恒，热能将急剧减少，补充动能和位能的增大，从而导致地壳地幔降温。这就是说，重力分异导致地核自转变快温度增高，重力分异也导致地壳地幔自转变慢温度降低，大冰期的形成也有重力分异的贡献。

表3 重力分异导致的地球各圈层位能变化

    结论：重力分异不仅使地球各圈层差异旋转，而且使地壳地幔变冷，地核变热，能量集中在地核，对大冰期有重要贡献，与地球地质旋回相一致。

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