地球内核变速旋转：起源于重力分异和角动量交换

                                                    杨学祥

澳大利亚的一项新研究发现，地球内核自转的速度很有意思，它与地幔、地壳等其他部分的自转速度是不一样的，而且内核自转的速度本身也有快有慢。地球由内而外依次是地核、地幔和地壳。其中地核又分内核和外核，内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被液态铁镍合金等元素组成的外核包围。澳大利亚国立大学13日发布的新闻公报介绍说，该校研究人员的最新研究成果发现，总体而言地球内核的自转速度比地幔要快，平均每年快0.25至0.48度。此外，内核转速还表现出一种“十年波动”。例如，在上世纪70年代和90年代，出现明显的加速期，转速高于其平均值，但在中间的80年代时，会转得慢一些。研究人员还说，地球内核自转很可能在过去几年出现了明显的加速，但这一点还需进一步观察研究才能确认。

通过资料分析和模型计算，我们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，在重物质向地心集中和轻物质向地表浮起的同时，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。核幔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，为地幔流动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。

同济大学海洋与地球科学学院周怀阳教授作为第一作者，与美国伍兹霍尔海洋研究所迪克教授，近日在《自然》杂志上联合发表了题为《支撑马里安隆起亏损地幔的薄洋壳证据》的论文，对沿用40多年的“地幔羽”假说提出挑战。这是地质学领域研究的一个重要突破。

“地幔羽”假说认为，地幔内部温度的局部异常导致大规模岩浆涌出地表，形成隆起或海山，隆起或海山代表了较厚的地壳或洋壳。而周怀阳团队通过地质取样发现，在西南印度洋洋中脊上，有一块绵延3100公里长、大小与冰岛隆起大致相当的马里安隆起地表，那里广泛分布有通常被认为代表地幔的橄榄岩。在马里安隆起东段的53°E洋脊段上，有约3200平方公里的区域几乎完全缺失洋壳，地幔如同一只剥了壳的鸡蛋，直接出露于地表。他们经过细致甄别和论证后认为，马里安隆起的洋壳很薄，十分不均匀；造成马里安隆起的主要原因是地幔的成分异常，而不是地幔内局部的温度异常。周怀阳指出，部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起；而地幔的亏损原因则可追溯到1.8亿年前南极板块和非洲板块分离时发生的大规模火山作用或甚至更早的地质历史事件。

我们的计算模型表明，重力分异造成的地球物质的成分差异和核幔角动量交换导致的地球物质的温度差异，是地幔流动的两大动力，具有同等重要的作用。

部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起，这是重力分异作用的重要证据。

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.

相关报道：

地球内核自转速度并非恒定

2013年05月14日00:53    来源：科技日报    手机看新闻

　　新华社堪培拉5月13日电（记者王小舒）地球在自转。澳大利亚的一项新研究发现，地球内核自转的速度很有意思，它与地幔、地壳等其他部分的自转速度是不一样的，而且内核自转的速度本身也有快有慢。

　　地球由内而外依次是地核、地幔和地壳。其中地核又分内核和外核，内核是个如同月球般大小的固体铁球，外面被液态铁镍合金等元素组成的外核包围。

　　澳大利亚国立大学13日发布的新闻公报介绍说，该校研究人员的最新研究成果发现，总体而言地球内核的自转速度比地幔要快，平均每年快0.25至0.48度。

　　此外，内核转速还表现出一种“十年波动”。例如，在上世纪70年代和90年代，出现明显的加速期，转速高于其平均值，但在中间的80年代时，会转得慢一些。

　　研究人员还说，地球内核自转很可能在过去几年出现了明显的加速，但这一点还需进一步观察研究才能确认。

　　长期以来，科学界一直假设地球内核是以一个不变的速度在自转。这项新研究的负责人哈维耶·塔尔西克认为，这种假设是因为科学界之前缺乏合适的数学分析方法。

　　他们此次使用了一种新方法对过去50年的“地震对”进行分析。所谓“地震对”，又叫“相似地震”，通常是两次各个参数都几乎一样的地震，包括地点、波形等，只是时间上可能相隔几个星期，也可能相隔数十年。

　　“地震对”的两次地震的地震波穿越地核，波形会有细微差异，正是根据这种差异，研究人员才推算出地核自转速度的变化趋势。他们称，这种分析方法相当于在不同的时间给地球内核拍“快照”。

　　塔尔西克称，这项研究是第一次在实验数据的层面上证实了地球内核以非恒定的速度自转。这将有助于人类理解地核以及地球磁场。相关研究论文发表在新一期英国《自然—地学》杂志上。

(来源:科技日报)

http://scitech.people.com.cn/n/2013/0514/c1057-21467470.html

我科学家对“地幔羽”理论说不

2013年02月25日01:01    来源：科技日报

　　最新发现与创新

　　本报讯（沈海燕记者王春）同济大学海洋与地球科学学院周怀阳教授作为第一作者，与美国伍兹霍尔海洋研究所迪克教授，近日在《自然》杂志上联合发表了题为《支撑马里安隆起亏损地幔的薄洋壳证据》的论文，对沿用40多年的“地幔羽”假说提出挑战。这是地质学领域研究的一个重要突破。

　　1912年，德国著名科学家魏格纳提出了“大陆漂移”假说，随后在众多科学家的努力下，“板块构造学”理论得以确立。然而，对板块内部及板块分离边界（洋中脊）上众多的隆起或海山是如何形成的，至今仍没有合理统一的解释。大约40年前，摩根提出的“地幔羽”假说曾在很长一段时间占据主流地位。

　　“地幔羽”假说认为，地幔内部温度的局部异常导致大规模岩浆涌出地表，形成隆起或海山，隆起或海山代表了较厚的地壳或洋壳。而周怀阳团队通过地质取样发现，在西南印度洋洋中脊上，有一块绵延3100公里长、大小与冰岛隆起大致相当的马里安隆起地表，那里广泛分布有通常被认为代表地幔的橄榄岩。在马里安隆起东段的53°E洋脊段上，有约3200平方公里的区域几乎完全缺失洋壳，地幔如同一只剥了壳的鸡蛋，直接出露于地表。他们经过细致甄别和论证后认为，马里安隆起的洋壳很薄，十分不均匀；造成马里安隆起的主要原因是地幔的成分异常，而不是地幔内局部的温度异常。周怀阳指出，部分地幔因为缺少了一些金属物质而变得较轻，被称为“亏损地幔”，亏损地幔在均衡作用下产生了隆起；而地幔的亏损原因则可追溯到1.8亿年前南极板块和非洲板块分离时发生的大规模火山作用或甚至更早的地质历史事件。

　　这一研究令地球科学界感到振奋，被认为给“地幔羽”理论“钉上了最后一根棺材钉”。英国剑桥大学教授麦柯勒伦评论，如果这一对印度洋洋中脊地质观测的解释是正确的话，将对人类深入理解地幔具有重要意义。

(来源:科技日报)

http://scitech.people.com.cn/n/2013/0225/c1057-20582123.html?prolongation=1