地壳地幔收缩和地核膨胀说：重力分异是动力

                        杨学祥， 杨冬红（吉林大学）

关键提示：历史上的地球膨胀说，实际是地球不均匀膨胀说；历史上的地球收缩说，实际是地球不均匀收缩说。地球的均匀膨胀和均匀收缩，是不会形成地表的山脉和海洋等复杂构造的。重力分异使地球的自转动能和热能集中在地核，使地核变热膨胀，使地壳地幔变冷收缩，成为地壳地幔收缩和地核膨胀说的动力。

历史的误会

地球膨胀说，英文是Earth expansion hypothesis，以地球不断膨胀来解释大陆崩裂机制的一种大地构造假说。20 世纪20～30年代，由 B.林德曼和 O.C.希尔根贝格分别提出。该学说认为原始地球有一个封闭的硅铝圈，因地球内部膨胀而导致硅铝圈的破裂、离散，形成分离的大陆；而从地幔膨胀出来的物质充填在离散的大陆之间，使洋盆不断扩大。

历史上的地球膨胀说，实际是地球不均匀膨胀说：该学说认为原始地球有一个封闭的硅铝圈，因地球内部膨胀而导致硅铝圈的破裂、离散，形成分离的大陆。因此，导致均匀膨胀的万有引力常数随时间的推移在变小，从而引起地球重力加速度的变化就不能引起地球不均匀膨胀。

地球收缩说是最早的一种地球动力学假说，收缩说认为，地球由于放热变冷而导致不断收缩。在这个模式中，几百公里以下的地球内部仍然接近于初始的温度。而最外部的圈层，包括现今所指的岩石圈和上地幔，已经变得相对较冷。

这样的结果是与皱缩苹果不能直观对比，苹果失水内部体积变小，表皮面积不变，才收缩变形。否则，地球内部仍然接近于初始的温度，表皮变冷收缩，只能引起表皮张裂。

地球表皮张裂，地下岩浆在张裂处涌出，填补裂缝，形成海洋地壳，挤压表皮分离，形成大陆和海洋。这一过程是反复发生的。

重力分异是动力

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。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w0自转，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。

参考文献

1.  杨学祥, 陈殿友. 地核的动力作用.  地球物理学进展.  1996,11(1):68-74.

2.  杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934.

3. 杨冬红，杨学祥。地球自转速度变化规律的研究和计算模型。地球物理学进展。2013，28（1）：58-70.

4. 杨冬红。潮汐周期性及其在灾害预测中应用。博士论文，吉林大学，2009.

5. 杨学祥, 陈殿友. 地球固体内核快速自转的理论证明和实测证实.  西北地震学报. 1996,18(4):82.

6. 杨学祥, 陈震, 刘淑琴, 宋秀环, 陈殿友. 地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应.  地学前缘.  1997, 4(1):187-193.  

7. Song X D, Richards P G. Seismological evidence for differential rotation of the Earth’s inner core. Nature, 1966, 382: 221-224.

8. 杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学,  长春：吉林大学出版社,1998

转载 

重力分异导致地球圈层差异旋转 杨学祥

wishful

民工的地幔环流说专栏，地幔对流不靠谱

摘自 杨学祥 老师的科学网博客

       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。地震波测量表明，内核每年相对东向旋转约0.4°~1.8°。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。

       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。通过核幔角动量交换，地球各圈层最终以统一的自转角速度1.2w0自转，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。

根据表1的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为2层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.9倍，底层角速度增大到原来的4倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到12.76×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为9.4525×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.0265 w0的角速度统一旋转，有3.29341×10³⁰J的自转动能变为热能积累在内外圈层的边界。

       根据表的计算数据，均匀地球通过重力分异演化为8层不同密度地球，顶层角速度减少为原来的0.602倍，底层角速度增大到原来的27.405倍；旋转动能由原来的9.2×10³⁰J，增加到19.67×10³⁰J；转动惯量由原来的9.7078×10⁴⁴g·cm²，减少为8.11693×10⁴⁴g·cm²；通过角动量交换，外层加速，内层减速，内外两层以1.1949 w0的角速度统一旋转，有8.65733×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界，这是外核成为地球内部唯一的液态圈层的原因。

       比较表1和表2，2层地球变为8层地球，统一角速度由1.0265 w0变为1.1949w0；有5.36392×10³⁰J的自转动能变为热能积累在核幔边界。核幔边界是密度增减变化的分界面，是压力增减变化的分界面，是转动惯量增减变化的分界面，是自转动能增减变化的分界面，因此，它既是动能交换的界面，也是热能交换的界面，其物理学意义不容忽视。因为内核的密度最大，接近极限，不可能继续分层，所以8层地球和18层地球模型各项典型数据差别不大，这表明地球重力分异的大规模能量释放过程基本结束。

       除了重力分异外，潮汐摩擦使地壳和地幔自转速度减慢，为核幔差异旋转提供新的动力。

       发布于 2017-11-27

https://zhuanlan.zhihu.com/p/31436059

参考文献

1.   杨冬红, 杨学祥.2013.a 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 28（1）：58-70。

Yang D H, Yang XX. 2013a. Study and model on variation ofEarth’s Rotation speed. Progress inGeophysics (in Chinese), 28（1）：58-70.

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1253514.html 

网上资料

地球膨胀说

　　地球膨胀说，英文是Earth expansion hypothesis，以地球不断膨胀来解释大陆崩裂机制的一种大地构造假说。20 世纪20～30年代，由 B.林德曼和 O.C.希尔根贝格分别提出。该学说认为原始地球有一个封闭的硅铝圈，因地球内部膨胀而导致硅铝圈的破裂、离散，形成分离的大陆；而从地幔膨胀出来的物质充填在离散的大陆之间，使洋盆不断扩大。

1基本内容

　　地球膨胀说，英文是Earth expansion hypothesis，以地球不断膨胀来解释大陆崩裂机制的一种大地构造假说。20 世纪20～30年代，由 B.林德曼和 O.C.希尔根贝格分别提出。该学说认为原始地球有一个封闭的硅铝圈，因地球内部膨胀而导致硅铝圈的破裂、离散，形成分离的大陆；而从地幔膨胀出来的物质充填在离散的大陆之间，使洋盆不断扩大。板块构造理论提出以前，地球膨胀说曾经作为活动论的重要代表而引人注目。一些学者从不同的途径计算过地球膨胀的速率，如1956年L.埃吉德根据古地理图上显生宙面积的扩大得出 0.5毫米／年，1965 年霍姆斯根据一天的时间每一世纪增长1／50万秒的数据估算出膨胀速率为 0.24 ～0.6毫米／年。但是，按照最早提出的地球膨胀模式，石炭纪以后地球的半径需要增长2000千米以上，而热力学理论和引力常数随时间变小的假说都认为这在理论上是不可能的。地质历史上大量事件也难以用地球单纯膨胀来解释。板块构造理论提出以后，大多数地球科学家对地幔对流说的动力解释表现出很大的兴趣。膨胀说是认为地球不断膨胀的一种大地构造假说。它认为原始地球有一个封闭的硅铝圈，因地球内部膨胀而破裂、离散，形成现在分离的大陆，而从地幔膨胀出的物质充填在离散的大陆之间，使洋盆不断扩大。

2简介

　　林迪曼于1927年指出地球表面的拉张裂谷和大洋的形成都是地球受热膨胀，其直径不断增大，导致地壳拉伸，破裂的结果。膨胀说根据物质相变，即在一定温度和压力条件下，地壳下层物质与地幔上部物质可以互相转化的原理，当地壳底部增温时，由于体积膨胀，引起地壳上升，隆起成山。上升地区遭受剥蚀，破坏物质搬运至沉积区，地壳下部压力加大，物质增多变重，导致地壳下降。由于沉积岩是不良导体，地内热量不易散失，逐渐积累，温度升高，引起物质相变，地幔体积再次膨胀，地壳受到张力，进而破裂形成大洋中脊或大陆裂谷。此说与当代板块构造学说观点相若，但因对地内物质的性状尚待进一步研究，故其立论的依据尚需充实。

3提出

　　20世纪20～30年代，B.林德曼和O.C.希尔根贝格分别提出了地球膨胀假说，作为对大陆崩裂的机制的解释。膨胀说提出后，引发了估计地球的膨胀速率的研究，首先是从天体物理学提出万有引力常数随时间的推移在变小，从而引起地球重力加速度的变化而致地球膨胀。

4发展

　　50年代以来，膨胀说重新引起了研究者的兴趣。70年代以后，与板块构造学说并列或与之相补充的大地构造学说，膨胀说又取得新的发展。1956年L.埃吉德根据古地理图上显生宙面积的扩大得出地球半径以0.5毫米/年的速率增大。1965年，A.霍姆斯根据一天的时间每一世纪增长1/50万秒的数据，估计出地球膨胀率在0.24～0.6毫米/年之间;1958年S. W.凯里在研究泛大陆(见联合古陆)和太平洋的重建时，得出地球膨胀率自古生代末期以来约为4.5毫米／年；60年代,希尔根贝格的研究得出二叠纪以来膨胀率为7.6～9.4毫米／年；1977年又有人根据海底扩张和俯冲速率估计出自1.35亿年前至今地球平均膨胀速率为5.2毫米／年。

5争论

　　20世纪以来，活动论作为一种新兴的地球观与传统的固定论进行了长期的论争。膨胀说一开始就是作为大陆分裂机制的解释而提出的。在板块学说提出以前，膨胀说学派是极少数活动论者的重要代表。但是，按照最早提出的地球膨胀模式，石炭纪以后地球半径需要增长2000公里以上，而热力学、相变理论和引力常数随时间变小的假说都认为这在理论上不可能。地质历史上大量事件也难以用地球单纯膨胀来解释。从收缩说的衰落和膨胀说的困难中人们逐渐认识到，企图用单一的某种地球内部过程来说明全球一切大地构造问题不现实也不合理。70年代以来，大多数地球科学家转而寻求较为全面的动力解释，对地幔对流说等反映地球矛盾的动力解释表现出较大的兴趣。

地球收缩说

地球收缩说是最早的一种地球动力学假说，收缩说认为，地球由于放热变冷而导致不断收缩。在这个模式中，几百公里以下的地球内部仍然接近于初始的温度。而最外部的圈层，包括现今所指的岩石圈和上地幔，已经变得相对较冷。这样，在最外部圈层之下的部分由于迅速变冷收缩，而向地球内部分离。分离所留下的空间由最外部圈层在重力作用下向内收缩来充填，这一收缩充填作用使地球最外部的圈层处在一种横向挤压的状态中。

地球收缩说是最早的一种地球动力学假说，源于皱缩苹果与冷却地球的直观对比。这一假说通常按Jeffreys（1929）的提法表述。假定地球起初是一个炽热的天体，在其发展的早期，分异为一个铁质的核部和一个基本上是硅质的幔部。幔部从液态铁核处的基底开始向外凝固，通过传导而不是对流逐渐冷。从地心到地表700km以下的范围内，从地球开始凝固以来还没有来得及发生任何显著的冷却或体积变化。在700-70km的深度区间内，传导所引起的冷却正在发生，致使这一层收缩，并因围绕内核受到拉张而处于内部拉伸状态。在靠近地表处，岩石早已冷却，靠太阳辐射维持热平衡，不会有大的温度变化。在浅于70km的范围内，处于一种内部压缩状态。70km深处为无应变面。

收缩假说基本上是一种固定论，无法解释板块运动或大陆位移。更有甚者，收缩说认为全球的应力场是同样的，无应变面以上是压缩，无应变面以下是拉伸。这和地球的实际应力状态大相径庭。

       有人详细考察全球大陆和大洋的分布，发现大部分大陆和大洋是正相对应的。还提出过四面体收缩来解释这种分布。它所依据的假说是，一个收缩的球体趋向于缩成具有最小体积的四面体形。四面体的四角将与大陆相对应，它的面则与大洋盆相对应。调整四面体的尺寸，还可以解释大陆和大洋面积的比值为1：2。Davison （1888）提出过类似设想：地球只在上层中发生收缩（由冷却引起），这些层处于内部引张的状态。由于大陆压力的影响，大陆之下的引张量必将远小于大洋区下的引张量。这种状况趋于使大洋盆地更进一步沉降，而且也是导致大洋盆地成为永久性的一条物理上的原因。任何造山效应都是在大洋与大陆交接的地方表现得最为突出，这就使人们提出了大地生长的思想。

 对四面体收缩说的主要批评意见是，从性能上看，地球最上层的皮无法阻止其本身的面积因切向力的作用而发生改变。此外，这样一个外壳的变形理论似乎表明，这种变形应该是屈曲，而屈曲球壳的变形是对称于一条直径的，其形状的偏离由一系列沿着以对称直径为轴的平行纬圈的球调和函数给出。这就反把四面体收缩的设想给排除了。

早期的收缩说一直流行至20世纪50年代。由于地球在地质历史进程中很可能发生过某种收缩，因此，对收缩说的研究并没有因它有上述明显不足而终止。后来还发展过两种收缩假说。第一种是弹性不稳定说。按这种假说，当地球变冷时，岩石圈因褶皱作用而变弯（皱缩的苹果）。Jeffreys （1962）认为，这种皱缩幅度极大，以致它们在弹性上可能不稳定，即断裂-收缩假说（Jeffreys， 1962； Meyerhoff et al.， 1972）。MacDonald（1963）论证，由于放射性元素衰变产生的热量，地球并不是一开始就产生收缩，而是一直到最后的11亿年前左右才有收缩发生。他主张的收缩模式也是断裂-收缩模式。最近Meyerhoff et al.（1992）等提出了一种全球构造的新概念-涌流构造，把地球的收缩作用作为构造运动的触发器。可见，虽然单独的收缩作用不能解释所有构造运动的成因，但地球的收缩作用在地球动力学中的影响仍是需要考虑的。