天文周期与地质旋回和气候变化的关系

                          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

    国家自然科学基金资助项目（No.49774228）部分成果

摘要：火山活动主要受地球内部能量间歇性释放所控制。对作差异旋转的内核而言，银河年周期改变太阳辐射量和太阳系速度，影响核幔角动量交换和壳幔能量交换，造成热幔柱喷发和强烈岩浆活动，控制了核幔边界到地表的能量交换过程。地球减速运动将释放出巨大能量。这是天文周期与火山活动一一对应的原因。原文发表在《地质论评》1999年45卷（增刊）“火山作用与资源、环境”学术研讨会论文集。

进一步的研究表明，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，与地球地质旋回和天文周期相一致。气候变化必须有天文周期和地质活动的参与，这是地球历史规律所确定。

关键词：火山旋回，银河年周期，差异旋转，热幔柱，热分异

1．   火山活动与银河年周期的对应关系

近6亿年以来北美火山活动有明显的近似为3亿年的银河年周期变化。与人预料相反，其峰值对应远银心点的温暖期，其谷值对应近银心点的大冰期。据Coffin和Eldholm（1993）海洋考察结果，巨大火成区所显示的大陆溢流玄武岩和大洋溢流玄武岩的喷发强度也有相同的周期变化。伴随太阳系由远银心点向近银心点的运动，溢流玄武岩的喷发强度逐渐减弱。与之相对应，近1亿年间海洋底层水冷却了15^oC，气温冷却了10~15^oC。异常高温、火山喷发和热幔柱活动与银河年周期有很好的对应关系，这种关系在白垩纪最为明显。

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  近5亿年来朔望月天数的变化[据任振球, 1990 ]

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

地球自转在4亿年中除了有逐渐减少的长期趋势变化外，还有叠加在其上的周期变化。当月球离地球很近时，朔望月天数将会变化得很快[16]。任振球认为，古地球自转可能存在间隔2亿多年的准周期，其原因可能与小行星或彗星撞击地球等因素有关，图1 给出了朔望月天数变化所表示的地球自转速度变化曲线。从图1中可以看出，1.4亿年中生代，地球自转速度处于高峰；2.3亿年前二叠纪，地球自转速度处于低谷。

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]

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

地球的重力分异能够产生的圈层差异旋转，使地壳和地幔自转变慢，使地核自转变快；圈层角动量交换使动能变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。通常所说的地球自转速度，实际上就是地壳的自转速度，它在重力分异中是一个减慢的过程；在角动量交换中是一个加快的过程。特别值得指出的是，以前的重力分异模型是一次完成的，事实上，地球的重力分异和角动量交换过程可以通过多次反复来完成，形成地壳自转减速和加速的周期转换。

根据地质和气象等综合数据，表1给出地球自转周期、地质旋回、气候变化、万有引力常数G变化和地磁变化的对应规律，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1  地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁极性倒转^[1,2,16]

Table 1  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse ^[1,2,16]

理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因。

2．   太阳系运行速度变化产生的能量变化和万有引力常数G变化引起的能量变化

    Dirac（1938）、Brans和Dicke（1961）、Shapiro等（1971）、Hoyle等（1972）都认为万有引力常数G随时间变化而减少。据Steiner（1967）的计算，G还有空间上的变化，在远银心点比在近银心点增加5%，使远银心点处日地距离减少5%，太阳辐射增加35%，日月引潮力增加20%，这是远银心点处白垩纪全球温暖期产生的地球外部原因。    

3．   地外天体撞击带来的能量

20世纪60年代，对月坑的研究揭示出这些坑是由于在距今约45亿年时大量天体的撞击而形成的。此后，撞击的次数很快地减少。撞入地球的大物体在地球内部会产生巨大的热量从而将那里的宇宙尘熔化。这样形成的熔融区——位于地下约200至400km的深处，称为岩浆洋——在几百万年期间内都是活动的，并引起火山喷发。1996年人类亲眼目睹了彗星撞击木星事件，表明彗星对地球的可能威胁。据欧阳自远和王世杰的研究，在6500万年前的白垩纪末，一颗直径约10km的小行星以20km/s的速度撞击在墨西哥尤卡坦半岛海域，释放的能量相当于1000万吨TNT爆炸产生的能量，约为广岛原子弹威力的500万倍。

在远银心点处G值增大5%，太阳系半径收缩5%，这自然使彗星撞击地球的概率增大5%。彗星撞击使大量海水和NaCl立刻汽化升入高空，NaCl在紫外线辐射下光解为钠离子和氯粒子，氯粒子破坏臭氧层，过量紫外线穿透大气层使大量生物灭绝。

4．   火山活动的环境效应

人们只注意到了火山活动的短期降温效应（火山灰遮蔽阳光产生阳伞效应），但长周期的火山活动却与温暖期相对应。海底火山活动对全球气候有重大贡献。

首先海底火山喷发可以造成深海热对流。海洋底层水为什么降温？“冷”显然来自大气而不是海底。海水的密度在-2^oC最大，接近海水的结冰温度。两极的海洋表面冷水密度最大且富含CO₂，它们源源不断地沉入海底，并在旋转离心力的作用下扩展到赤道，形成海底巨厚的富含CO₂的冷水层。实测结果表明，海洋深层的温度分布基本是均匀的，最冷的海底温度约为-0.25^oC，出现在60^o~70^oS的南极大陆附近。在海底火山喷发的间歇期，冷水和CO₂被安全地封存在海底，太阳热能侵犯不到这个领域。随着海底冷水层的不断扩大，海洋温度不断降低，冷水层逐渐扩大到中、高纬度的海水上层，把赤道海洋表面的热水层限制在对全球气候无足轻重的地位（热水在上，冷水在下，不能形成有效的热对流）。海洋是大气的重要热能供应者，冷却的海洋使中、高纬度的大陆降温并为北极冰盖扩展而来的冰川所覆盖。冰雪反射太阳光。大气中的CO₂被转移到海底，减弱了温室效应。这两个因素使大气温度进一步降低，最终形成冰期。我们称这个过程为海底藏冷效应，它是关闭温室效应的按钮。显然，冰期是“冷”在海洋长期积累的结果。从海洋底层水温的变化，可以预测未来全球气候的变化。

由于核幔差异旋转，远银心点附近最大的太阳辐射量加强了核幔角动量交换，变旋转动能为热能积累在核幔边界，超级热幔柱在赤道区核幔边界（此处角动量交换最强烈）产生，在赤道区海底扩张带或热点喷发，加热海水，形成赤道和两极间的海洋整体热对流。计算表明，120Ma前形成翁同爪哇海台的海底火山喷发，可使全球海水增温33^oC。我们称之为海洋锅炉效应。海水增温和海洋整体对流使两极温度上升到冰点以上，火山活动和海水变暖释放大量CO₂增强温室效应，是启动温室效应的按钮。随着反射阳光的冰盖融化和产生温室效应CO₂的增加，最终形成全球的无冰气候。

图3 海底藏冷效应和海洋锅炉效应

其次，火山活动喷出的卤素破坏了臭氧层，使大量紫外线直射地表，这不仅是地表热能增加的原因，而且是大规模生物群体灭绝的原因。据Huffman的计算，1000km³熔岩要释放1.6×10¹³ kg的CO₂，3×10¹²kg的硫和3×10¹⁰kg的卤素(能破坏臭氧层)。一个巨大火成区的累积过程要发生上千次这样的喷发，它使现代人类造成的污染物产生的影响相形见绌。据马宗晋等的研究，南半球是大洋中脊集中且不断扩张开裂的热半球，南半球海底火山的排液排气作用对南极臭氧洞的形成有不容忽视的贡献。

地磁场对大气层有保护作用。在地磁极性转换时期，地磁强度变弱甚至完全消失，轰击地表的宇宙射线增强，太阳风中的高能粒子直射地表，破坏大气层和臭氧层，造成大量气体逃离大气层。臭氧层和电离层吸收太阳紫外线、X射线和γ射线，使地球生命免受伤害，同时也吸收太阳辐射能的9%。这是地磁减弱、臭氧含量降低、地表增温和生物灭绝一一对应的原因。有证据表明。地磁减弱时期就是火山活动强烈时期，并发生相应的生物灭绝事件。对比Milanovsky（1997）给出的地磁强度变化曲线、Frakes（1979）给出的全球温度变化曲线和Engel等（1964）给出的北美火山活动曲线可知，火山活动谷值的石炭纪二叠纪大冰期都是地磁强度的峰值；而火山活动峰值的中生代温暖期对应地磁强度的谷值。这表明强磁场阻碍了太阳能量进入地磁层；地核能量大规模释放所产生的火山喷发降低了地磁强度。近日点的近动使臭氧洞在南北极之间变换，周期为一万年。

5         天文行星热分异过程

     2017-11-28 22:12haibaraemily 发表于的文章指出，在太阳系最初形成的时候，地球还没有成型，还保留着太阳系最原始的元素构成。但后来，因为种种原因，地球上的岩石成分就发生了巨大的变化。9月28日《自然》（Nature）杂志的封面故事，就用两篇方法迥异的研究，描述了一个也许曾经发生过的过程——或许，是地球早期的熔融和气化作用，“蒸发”掉了一部分原始的成分。

行星最初形成的时候，会在放射性元素衰减和外界密集的撞击之下被不断地加热。在这个过程中，较大的岩质行星接受的热量足以熔融自身，“分离”行星内部的物质。结果是，较重的元素（比如铁和镍）向中心“下沉”形成内核；相对较轻的硅酸盐成分就“浮”上来形成原始幔层，最终形成从内到外密度逐渐变小的“核幔壳”分层结构。这就是行星的热分异。

图4 行星热分异过程。制图：haibaraemily

内太阳系的四个类地行星：水星、金星、地球、火星，都是经历过热分异、外层以硅酸盐成分为主的岩质行星。当然，实际的分层情况更加复杂，远不止简单的核幔壳三层。对地球而言，通常我们把金属地核以外的硅酸盐质地层统称为全硅酸盐地球（bulk silicate earth，BSE）。很显然，经历了热分异的硅酸盐外层的成分比例会和行星形成之初近乎匀质时的成分有变化。

6  重力分异过程及相关问题

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，形成地球各圈层的差异旋转。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。

7 热分异和重力分异的差别

重力分异是没有高温下的分异，例如宇宙尘埃团的缓慢沉降。热分异是考虑高温熔融条件下的分异，并且陨石撞击可能影响地球的成分变化。

如图5所示，均匀地球模型中轻物质和重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，转变为地核的热能；重力分异使轻物质上升到地表，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。

 图5 热分异和重力分异导致能量向地核集中地壳地幔变冷自转变慢

表2 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，与地球地质旋回和天文周期相一致。

8 结论

地球自转速度的变化具有长期减慢的趋势和周期波动的规律，本文讨论了地球自转的规律和机制。

潮汐摩擦是导致地球自转长期减慢的主要原因。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。潮汐摩擦是导致地球各圈层差异旋转的原因，特别是地壳地幔和内核的差异旋转。

重力分异造成地球各圈层差异旋转，使地壳和地幔自转速度长期减慢，核幔角动量交换将地球动能转变为热能，积累在核幔边界，使地壳和地幔自转变快。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因，地史提供了有力的证据。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。

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。

地球自转速度变化是由多种因素作用的结果，单一因素不能给出其变化的合理解释。对多种因素建模分析和准确计算，才能给出正确的答案。

由此可见，地球自转速度变化的研究，对定量评价和研究地球动力学过程具有重要意义。

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科学家研究称月核融化：周围存在炙热液态层.2014年08月12日 09:57  新浪科技.

http://tech.sina.com.cn/d/2014-08-12/09579549363.shtml

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

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1182440.html

冰期形成和消失的原因：天文周期和地质旋回的对应性

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为什么地球大冰期对应地球自转减慢?

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参考文献2：

Krot, A. N., et al. (2007). 1.05 Classification of Meteorites. In Holland, Heinrich D.; Turekian, Karl K. Treatise on Geochemistry. 1. Elsevier Ltd. pp. 83–128

Norris CA, Wood BJ. Earth’s volatile contents established by melting and vaporization. Nature. 2017;549(7673):507-510. http://dx.doi.org/10.1038/nature23645.

Hin RC, Coath CD, Carter PJ, et al. Magnesium isotope evidence that accretional vapour loss shapes planetary compositions. Nature. 2017;549(7673):511-515. http://dx.doi.org/10.1038/nature23899.

https://www.guokr.com/article/442516/

Nature封面：熔融？气化？大撞击？鬼知道地球经历了什么

haibaraemily 发表于  2017-11-28 22:12

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