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地球为什么是梨形的? 精选

已有 5104 次阅读 2007-9-16 11:05 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

地球的形状及其变化

 

广东海洋大学

廖永岩著
电子信箱:
rock6783@126.com

我们居住的地球是什么形状的?历来是人们关心的问题。随着人类对自然的逐渐认识,从古至今,人类对地球形状的认识,经历了扁平、球形、椭球体等过程。地球的形状,一般是指地球的大地水准面所圈闭的形状,有时也可指固体地球的形状。现今的人造卫星测量告诉我们,地球的大地水准面,南极凹进30m,北极凸出10m,地球的形状像一个倒放的梨;所以,大家形象地说,地球的形状是梨形的King-Hele, 1969。但是,地球的形状为什么是梨形的?这个问题虽一直受到关心,但到目前为止,还没有一个令人信服的解释,是一个一直困扰人类的迷。所以,对地球形状进行研究,是必要的;这也有助于人类更深入地认识和了解地球的内部构造及演化过程。

1  人类对地球形状的认识过程

在人们对地球还不认识的古代,人们认为地球是扁平的。在春秋时期,中国就出现了“天圆地方”说(孙立广, 2003。率先提出球形地球的是古希腊人。公元前530年左右,毕达哥拉斯(Pythagoras)提出地球为球形的臆测;公元前350年前左右,亚里士多德(Aristotle)根据月食时地球投到月亮上的影子是弧形以及海上来船先露出桅杆,后现船身等现象,得出地球是球形的科学概念(徐茂泉和陈友飞,1999。公元前240年前后,埃拉托尼(Eratosthenes)用简单的大地测量方法不仅证明了大地是个圆球,而且求得了地球的圆周长度。公元2世纪,托勒密(Ptolemy)创立了地心说体系,这个学说包含了地球是球体的正确概念(孙立广, 20031522年麦哲伦(F. Magalhāes)及其伙伴完成了绕地球一周的航行,彻底证明了地球是球形的(孙立广, 2003

1672年,里舍(J. Richer)发现从巴黎到南美圭亚那摆钟变慢的现象。牛顿(Newton)据此提出由于地球的自转,地球在赤道部分向外突出,在两极地区为扁平状,呈一旋转椭球体。后来,他和惠更新(C. Huygens)各自计算出了地球的扁率(陈永生和李自安, 19981735年,巴黎天文台派出两个测量队,通过大规模的大地测量,证实了这一结论(陈永生和李自安, 1998

1 地球(大地水准面)的形状King-Hele, 1969

1924年在马德里召开的第二届国际大地测量与地球物理大会,决定用一个国际统一的椭球体作为测量的基准椭球体。这个基准面就是平均海平面和该面扩展到大陆下面构成的一个理论上的连续面,叫作大地水准面(Geoid)。自1957年人造卫星上天以来,许多不同倾角的人造卫星轨道变化的观测数据表明,大地水准面和基准椭球体存在着全球性偏差。根据卫星测量,南极大地水准面凹进30m,而北极的大地水准面凸出10m;赤道到南极60°之间比大地水准面略高,而赤道到北纬45°之间比大地水准面略低。我们通常所说的地球形状就是指大地水准面所圈闭的形状,因此,我们说,地球的真正形状近似倒“梨形”(见图1)King-Hele, 1969

2  地球的内部结构及固体地球的塑性

有关地球的起源,现在大家比较一致地认为,在地球形成的早期,太空中的小星体和尘埃物质,远比现在多。由于万有引力的作用,地球不断地吸收太空的小星体和宇宙尘埃物质,使自己的体积和质量不断增大Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Taylor, 1993。由于地球是由于吸积作用而形成的,所以,当吸积作用发生时,大量的外星体或宇宙尘埃物质撞击地球或地球胚Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Taylor, 1993,大量的动能转变成热能,使地球的表面温度升高。当地球的表面温度达到低熔点岩石(如类花岗岩的低熔点岩石)的熔化温度时,这些低熔点岩石首先熔融成液体的岩浆物质。而这些低熔点岩石,恰好又是比重较小的物质。所以,像类玄武岩、橄榄岩等高熔点、比重较大的物质,本身就较重,再加上它们的熔点高,仍呈固体状态,就在液态的类花岗岩岩浆里,向地心沉降。这些较重的岩石在下沉的过程中,由于重力势能转变为热能Hanks and Anderson, 1969; Ringwood, 1960; Kappelmeyer and Haenel, 1974),再加上放射能Hanks and Anderson, 1969; Wood, 1968及其它形式的能量作用,地球的内部温度将继续增高。当温度增高至类玄武岩类岩石熔化的温度时,这些岩石将熔化为玄武岩岩浆。比类玄武岩岩石熔点更高,更重的岩石,如橄榄石类岩石,则会在类玄武岩岩浆里继续下沉,直至达到它们熔化的温度时,再变成岩浆。

在地球从表及里,逐渐由固体向液体(岩浆)转变的过程中,宇宙物质逐渐减少,撞击地球的机会也逐渐减少;地球质量的增长也逐渐变慢或停止Ringwood, 1960; Wood, 1968 Nutman et al., 2001)。地球由于吸积作用而产生热量的能力逐渐变小。但地球通过热辐射向外界释放出热量的能力,则随着地球的温度增高而逐渐增加。当地球表面因吸积作用停止而停止增热,而热量又逐渐散失时,地球表面的温度将逐渐下降。当地表温度下降至类花岗岩的熔化点以下时。地表的类花岗岩岩浆开始固化成类花岗岩。而这时,由于地球内部的放射性发热、较重硅酸盐岩(如橄榄岩),铁、镍等物质逐渐向地心移动释放出的重力势能导致的发热,地球内部的温度则逐渐增加。而且,岩石及岩浆均是热传导的不良导体,这也保证了地表物质的凝固开始,而地内物质的逐渐熔化。

所以,我们可以说,地球开始熔化时,是熔点低的类花岗岩类岩石先熔化;由于它们比重较小,较轻,一旦熔化后,在重力分异作用下,就向地球表面运动,在地球的表层形成液体岩浆层。地球冷却时,岩浆再形成岩石时,也是表层的类花岗岩岩石先固化,然后再逐步向内部延伸。

当地表的类花岗岩熔化时,大量的花岗岩物质里的结构水被释放入大气层,这就是最原始的地表水的来源。

当地球的温度继续增高,达到碳酸钙等碳酸化合物的分解温度时,地表的大量的碳酸化合物分解,释放大量的二氧化碳气体于原始大气中吴泰然和何国琦, 2003; Nunn, 1998H2OCO2等气体,组成原始的大气。

当地球内部的类玄武岩、类橄榄岩等较重、熔点较高的岩石熔化时,地球表面的类花岗岩早已经固化;再加上,这些岩石熔化需要较高的温度,往往是在地下深处进行,所以,它们熔化的地下不仅温度高,而且压力相当大。所以,它们熔化时产生的结构水,及地球内部高温而导致碳酸盐、硫酸盐、卤簇化合物分解产生的CO2SO2H2SHClHF等气体,就被暂时保存在高温高压的地下深处。一旦由于各种原因,这些地方的压力降低,这些气体将迅速汇集,并被排出地表。

本来,地球可看成是一个由固体的密闭岩石圈围成的液体容器,里被围的是高温高压的液体岩浆。但是,岩浆是表现为液态或固态,主要由岩浆物质的熔点、该点温度和该点压力三者共同决定。在地球内部熔融刚完成时,除古岩石圈外,在当时岩石圈内压力下,岩石圈内温度均高于岩石圈内物质的熔点,地球岩石圈内均由液态物质组成。后来,随着碰撞吸积作用的停止、地球重力分异作用的完成,地球仅剩下放射能发热,且放射能发热能力也在逐渐下降。当地球的产热能力小于热辐射的放热能力时,地球自表及里,温度逐渐下降。到目前为止,在该点压力下,外核的温度尚高于该处物质的熔点,外核为液态;内核、地幔和岩石圈,在各自位置的压力下,该处的温度已低于该处物质的熔点,内核、地幔和岩石圈为固态。软流层在该点的压力下,温度接近该处物质的熔点,为准液态:当该处压力下降时,液态性增强,表现为液态(如形成岩浆);当该处压力下上升时,固态性增强,表现为固态。由于构造运动造成的地球各处的压力不均一性,软流圈表现为一种不连续的液态圈层。但总体来说,现在仍可把地球看成一个由岩石圈圈闭的粘性液体球。

3  固体地球的形变及其证据

最近,马宗晋等经过系统研究(马宗晋等,2002;马宗晋等,2003;金双根和朱文耀,2003;孙付平等,1999发现,固体地球南、北半球的形变是非对称的,地球正发生非对称形变。

3.1  地球南北半球非对称变化的热力学证据

由地震层析成像得到的下地幔的波速格局,显示北半球是高速区,代表较冷地幔;南半球是低速区,代表较热地幔。计算表明,南半球大陆的地幔热散失量为22.1×1012W,占全球大陆地幔热散失量(32.9×1012W)的67%,是北半球大陆地幔热散失量(10.8×1012W)的2(马宗晋等, 2002

全球的大洋洋中脊3/ 4出现在南半球,那里有南大西洋、太平洋、印度洋和环南极洋中脊,而北半球只有一段北大西洋洋中脊。计算表明,南半球的平均热流值达99.3mW/m2,高出全球平均值(87mW/m214%;北半球的平均热流值是74.0mW/m2,比全球平均值低15%(傅容珊和黄建华, 2001Pollack et al.1993。就热散失量而言,全球热散失量(44.2×1012 W)中的57%,即25.3 ×1012W来自南半球,43%18.9×1012W)来自北半球(马宗晋等, 2002Pollack et al.1993

据此,我们可以初步说,南半球是热半球,北半球是冷半球;北半球是挤压半球,南半球是膨胀半球。

3.2  地球南北半球非对称变化的板块运动证据

由板块绝对运动模型HS2-NUVELl的资料,可以计算出3Ma来地球的经圈和纬圈长度的平均年变化率,结果见图2(马宗晋等, 2002Gripp and Gordon, 1990

 

2  由板块绝对运动模型HS2-NUVEL1计算的地球纬圈长度年变化率(LGripp and Gordon, 1990

2表明,南半球的纬圈长度年变化率是增加的,最大值可达 10 mm/a;北半球的纬圈长度年变化率则大多是减少的,最大值可达-5mm/a。这一结果证实了3Ma以来,南半球中纬度地区在扩张,北半球中纬度地区在收缩。

3.3  地球南北半球非对称变化的空间大地测量证据

地学板块运动模型,反映的是半径不变的地球表面上几百万年内的平均板块运动;而空间大地测量实测站速度反映的是实际发生的现时全球构造运动。甚长基线干涉测量(VLBI)、全球定位系统(GPS)和卫星激光测距(SLR)等空间大地测量技术测定的结果见表12(马宗晋等, 2002;孙付平等,1999

1 北半球检测结果(马宗晋等, 2002

技术

方法

太平洋-北美

北美-欧洲

欧洲-东亚

东亚-太平洋

闭合差W1

闭合差W2-

VLBI

MA

1.8±1.0

-1.7±1.0

3.9±1.5

-14.5±1.6

-10.6±2.6

-10.9±2.7

MB

-0.9±0.5

-1.4±0.6

-2.3±0.8

-3.3±0.8

-7.9±1.4

-10.1±1.5

GPS

MA

0.6±0.6

-1.1±0.5

5.0±1.0

-15.1±1.1

-10.6±1.7

-6.8±1.8

MB

-0.2±0.2

-0.6±0.3

-3.5±0.6

-4.5±0.7

-8.8±1.0

-8.7±1.0

SLR

MA

-0.9±2.0

1.6±3.3

-25.1±3.0

15.5±2.1

-8.9±5.3

-7.9±5.3

MB

-0.5±1.0

-1.5±2.0

-2.3±1.9

-3.7±1.1

-8.0±3.1

-7.7±3.2

组合

MA

1.0±1.2

-1.3±1.7

4.2±1.5

-15.0±1.8

-11.1±3.1

-8.6±3.2

MB

-0.5±0.6

-0.9±1.1

-3.1±1.0

-4.0±1.0

-8.5±1.9

-9.4±1.8

表中数值单位:mm/a.

2 南半球检测结果(马宗晋等, 2002;孙付平等,1999

技术

方法

非洲-澳洲

澳洲-太平洋

太平洋-南美

南美-非洲

闭合差W1

闭合差W2

GPS

MA

5.1±1.7

-0.8±0.9

18.9±1.6

-7.8±1.7

15.4±3.0

11.9±3.0

MB

0.7±1.0

2.8±0.4

6.7±1.0

4.5±0.8

14.7±1.7

13.1±1.7

VLBI

MA

-0.2±1.9

15.4±3.6

 

-9.7±2.5

5.5±4.7

4.0±4.8

MB

1.6±1.1

4.6±2.2

 

2.6±1.5

8.8±2.9

7.8±2.9

组合

MA

3.5±1.8

1.2±1.1

19.4±2.3

-7.9±3.0

16.2±4.3

12.7±4.3

MB

1.1±1.0

3.1±0.5

6.6±1.4

4.1±1.6

14.9±2.4

13.4±2.5

表中数值单位: mm/a.

从表1和表2的检测结果可以看出,无论是采用不同技术的实测结果,还是采用不同检测方法的结果都得出在北半球中纬度带内,纬圈长度闭合差均呈负值;在南半球中纬度带内,纬圈长度闭合差均呈正值。这说明,南半球中纬度地区在扩张,北半球中纬度地区在收缩。

ITRF2000速度场和全球IGS速度场统计出南半球台站的垂向运动,也显示南半球除在赤道附近7个台站是下降,其他91%的台站几乎全为上升,反映南半球处于隆升状态(见表3(金双根和朱文耀, 2003

3 南半球上升与下降站分布(金双根和朱文耀, 2003

纬度

GPS

VLBI

SLR

总的台站

上升

下降

总的台站

上升

下降

总的台站

上升

下降

0ºS~ 10ºS

11

4

7

1

1

0

1

0

1

10ºS~ 20ºS

11

9

2

0

0

0

4

3

1

20ºS~ 30ºS

12

11

1

2

2

0

3

3

0

30ºS~ 40ºS

10

8

2

3

2

1

6

5

1

40ºS~ 50ºS

5

4

1

1

0

1

 

 

 

50ºS~ 60ºS

2

2

0

 

 

 

 

 

 

60ºS~ 70ºS

7

6

1

2

2

0

 

 

 

70ºS~ 80ºS

3

2

1

 

 

 

 

 

 

ITRF2000速度场求出的南半球纬度闭合环纬线变化率的闭合差显示:平均纬度为15.7o的闭合环纬线变化率为16.2mm/a;平均纬度为25.5o的闭合环纬线变化率为  23.1mm/a;平均纬度为34.7o的闭合环纬线变化率为19.3mm/a;平均纬度为67.6o的闭合环纬线变化率为20 mm/a(金双根, 2003。由此可知:南半球纬线变化率均为正值,即南半球纬线在拉长,说明南半球纬线圈处于拉伸状态。

利用 IERS 公布的全球 ITRF97 2000网上数据对全球地壳水平运动进行概要性分析的结果(见图3)说明,地球赤道至南纬中纬度区域为扩张区域,北纬中纬度区域为收敛区域(马宗晋等,2003利用全球GPS 数据通过球面 GPS 站点网络场的计算4个半球的体积与理想地球体积的比较分别是北半球-0.157×104 km3/a,南半球+0.936×103 km3/a,大西洋半球+0.109 ×104km3/a,太平洋半球-0.371×103km3/a。全球四大构造系统①环太平洋构造系正处于0°半球(膨胀)与180°半球(收缩)的边缘带;②大洋脊构造系的3 条南北向洋脊及它向南的分叉并相互连接成环南极的洋脊均发育在3060°S之膨胀环带内;③北半球内大陆高原构造带正处于北半球的收缩带(2050°N),两者恰呈反对称关系(马宗晋等,2003

3  ITRF2000 全球水平矢量图(马宗晋等,2003

3.4  地球南北半球非对称变化的速率在不断变小(南半球在减速膨胀)的证据

现今空间技术测得的全球板块相对运动速度反映最近数十年的相对运动,NNR-NUVEL1 A模型估算的结果代表 3Ma内的平均相对运动。将现今空间技术实测得出的洋中脊现今扩张运动速度与 NNR-NUVEL1 A模型的估值比较,结果见图4(金双根和朱文耀, 2003)和表3

4 全球板块边缘相对运动速率变化(金双根和朱文耀, 2003

4虽然比较直观,但比较复杂,一下难以看出规律性。因为板块之间的收缩,与地槽的形成有关。而地槽形成过程中,不同的演化时期,地槽的水平收缩和垂直收缩都有很大的变化。而地槽形成的时间,并不见得完全一致,这样,就造成不同的地槽所造成的板块之间的收缩有差异。所以,主要由地槽形成造成的板块之间的收缩比较复杂。而拉张脊,相对来说比较简单,它主要由地球的膨胀或收缩所控制,它主要反映当时地球的膨胀或收缩状况。所以,我们这里主要以拉张脊为根据进行比较分析。将图4上的所有拉张脊数据,按纬度(从北纬高纬度至南纬高纬度)排列,结果见表4

4  拉张板块边缘按纬度整理后的相对运动速率比较

相邻板块名称

径度

纬度

实测速度(mm.a-1

方位角

估算速度(mm.a-1

方位角

速度差(mm.a-1

北美-欧亚

330.5

60.0

19.4±0.1

280.4

19.2±1.0

278.1

0.2

北美-欧亚

330.0

51.2

22.0±0.1

279.2

21.2±0.9

277.3

0.8

北美-欧亚

330.2

39.5

24.6±0.1

278.2

22.2±0.9

277.0

2.4

北美-非洲

318.3

30.9

23.5±0.3

273.4

20.0±0.8

279.5

3.5

阿拉伯-非洲

37.2

22.0

15.7±1.4

9.4

9.5±1.2

12.1

6.2

南美-非洲

316.3

10.8

25.1±1.1

267.5

27.1±0.9

272.5

-2.0

可可斯-太平洋

256.3

9.5

104.9±0.5

78.8

103.1±2.5

81.5

1.8

纳兹卡-可可斯

277.6

4.6

70.5±2.3

185.8

68.9±3.8

192.1

1.6

非洲-印度

65.9

3.0

33.1±0.2

227.9

30.0±4.4

212.2

3.1

纳兹卡-太平洋

250.1

-9.4

136.6±3.3

101.4

139.1±3.9

99.6

-2.5

南美-非洲

347.0

-10.5

31.3±1.3

253.9

33.5±1.1

257.7

-2.2

非洲-澳大利亚

66.7

-14.9

35.7±0.1

138.6

36.8±1.2

237.3

-1.1

纳兹卡-太平洋

246.6

-27.2

149.6±3.6

102.4

150.8±4.2

102.9

-1.2

非洲-南极洲

60.8

-30.7

12.2±0.2

351.5

13.1±1.0

359.0

-0.9

南美-非洲

346.6

-31.1

31.9±1.3

254.4

34.3±1.1

258.2

-2.4

纳兹卡-南极洲

268.3

-40.3

54.2±1.4

91.5

57.1±2.2

86.8

-2.9

非洲-南极洲

42.4

-42.8

12.9±0.2

0.4

13.3±1.0

10.0

-0.4

太平洋-南极洲

245.9

-48.3

83.0±0.1

286.3

87.6±1.1

283.9

-4.6

澳大利亚-南极洲

114.8

-50.4

71.5±1.7

19.4

72.3±1.7

18.6

-0.8

澳大利亚-南极洲

137.7

-50.6

69.4±1.5

2.0

69.5±1.5

1.2

-0.1

南美-非洲

355.2

-52.2

28.1±1.2

248.5

30.5±1.0

252.8

-2.4

非洲-南极洲

20.0

-52.8

12.6±0.2

18.4

12.9±1.0

28.5

-0.3

太平洋-南极洲

233.0

-55.3

74.6±0.1

293.1

79.4±1.1

291.3

-4.8

澳大利亚-南极洲

163.2

-61.8

63.9±1.4

335.5

64.0±1.4

334.3

-0.1

太平洋-南极洲

202.5

-63.1

58.0±0.1

310.3

64.2±1.1

308.9

-6.2

由表4可见,除南美-非洲间的316.3径度,10.8纬度这一观察点外,其它所有的位于北半球的观察点的扩张脊20多年来实测速度与3Ma来板块估算值的差均呈正值,而位于南半球的观察点的扩张脊实测速度与板块估算值的差均呈负值。因为实测值是20世纪70年代末期以来的实际测量数据,这说明,至少近20多年来,南半球的扩张在减速,而北半球的扩张在加速。或者说,3Ma来,整体上南半球在扩张,北半球在收缩,但近代(至少是20多年来),南半球的扩张在减速,而北半球的收缩也在减速。

大西洋洋中脊,是地球目前仅有的一条几乎贯穿南、北极的洋中脊(见图4)。下面,我们将这条洋中脊上的所有观察点进行比较,结果见图4和表5

5  大西洋脊扩张速度比较

相邻板块名称

径度

纬度

实测速度(mm.a-1

方位角

估算速度(mm.a-1

方位角

速度差(mm.a-1

北美-欧亚

330.5

60.0

19.4±0.1

280.4

19.2±1.0

278.1

0.2

北美-欧亚

330.0

51.2

22.0±0.1

279.2

21.2±0.9

277.3

0.8

北美-欧亚

330.2

39.5

24.6±0.1

278.2

22.2±0.9

277.0

2.4

北美-非洲

318.3

30.9

23.5±0.3

273.4

20.0±0.8

279.5

3.5

南美-非洲

316.3

10.8

25.1±1.1

267.5

27.1±0.9

272.5

-2.0

南美-非洲

347.0

-10.5

31.3±1.3

253.9

33.5±1.1

257.7

-2.2

南美-非洲

346.6

-31.1

31.9±1.3

254.4

34.3±1.1

258.2

-2.4

南美-非洲

355.2

-52.2

28.1±1.2

248.5

30.5±1.0

252.8

-2.4

比较实测速度和估算速度的差值,由表5可见,北纬51.2度以上的高纬度区域,近来的实测速度相对估算速度来说,虽然也在扩张,但扩张速度不大,而扩张速度最大的是30度左右的北纬中纬度区域。南半球,近来的实测速度相对估算速度来说在收缩,越接近赤道,收缩速度越小,越向南纬52.2度的高纬度接近,收缩速度越大。同时,这里也可以明显看出,南美-非洲板块间的316.3径度,10.8纬度这一唯一位于北半球的相对收缩点,也是南美-非洲板块间相对收缩速度最慢的。这也说明,这一点是受整个板块的其它点的牵制才收缩,若没有其它点的牵制,这唯一位于北半球的相对收缩点,也肯定会相对扩张的。

3Ma来的板块估算速度和近20多年来的实测速度进行综合分析发现,近几十年来,地球仍继续3Ma的来变化趋势:南半球在收缩,北半球在扩张。但近代南半球扩张的速度在减慢,北半球的收缩也在减慢。南半球和北半球在发生相关变化。

综上所述,我们可以说,现今的固体地球的南半球中纬度区域在收缩,北半球中纬度区域在膨胀。

5  牛顿球形粘滞体在不同方向力作用下的形变。a,一个力从y轴方向相反的方向作用于牛顿粘滞体所产生的形变;ba图由于力的作用已产生形变后,去掉力的作用,牛顿粘滞体在恢复过程中所产生的形变;A,球形牛顿粘滞体;B,由于力的作用后所产生的形变体;x,表示x 轴及其方向;y表示y 轴及其方向;“”表示力的作用方向。

前面已经讨论,固体地球可看成一个牛顿粘滞体Peltier and Jiang, 1996; Lambert et al., 2001; Lambeck et al., 1998 Gudmundsson, 1999;。根据物理的力学理论,在一个牛顿粘滞球体上施加一个力时(如图5a;有一个力作用于标准球体的y 轴,方向与y 轴的方向相反),在施加力的这一极引起下陷(如图5a),和在施加力相对的另一极引起上升外,应在施加力的这半球的中纬度地区,也会引起上升(如图5a);同时,在施加力半球相对的另一半球的中纬度地区,引起下陷(如图5a)。若已发生(如图5a)的形变后,又有一个和(如图5a)作用力方向相反的作用力作用于已形变体时,将发生(如图5b)所示的形变,即y 轴上已下降的部分上升,相对极引起下降;同时作用力所在半球中纬度区域下降,相对半球中纬度区域上升。

既然目前的固体地球北半球中纬度区域收缩,南半球中纬度区域上升,这就是说,目前固体地球受到一个自南极向北极的作用力的作用,是这个力作用于固体地球这个牛顿粘滞体,造成了地球南、北半球非对称性变化。

那么,是什么力造成3Ma地球的这种形态持续变化呢?因为两极,是地球最冷的地方,是最容易形成冰川的地方。而冰川的形成和消融,能造成重力异常。而北极在第四纪曾形成巨大冰川,现在已大部消失。南极现在仍有冰川。也就是说,至少3Ma来,南、北极的冰川,曾发生过巨大的变动。所以,最先让人想到的,可能是冰川的形成或消融造成的重力异常,产生从南极至北极的对地球作用力,造成地球现今的这种形态变化。所以,我们先来分析一下新生代以来的南、北极的冰川形成和消融情况。

6 40 M a 以来全球深海底栖有孔虫氧同位素曲线(Zachos J. C., 2001)

4  新生代冰川的分布及其变化

现今,北极冰川主要集中在格陵兰岛,总体积为2.95×106km3,占全球冰川的9.1%。南极冰盖体积为29×106km3,集中了全球90%的冰川,位于南极洲上。其它冰川与冰帽的总体积为0.18±0.04×106km3,不足全球冰川总量的1%(秦大河和任贾文, 2001; Hambrey and Alean, 2004

南极冰川的面积为1.4×107 km2、重约2.64×1019kg、平均厚2450m、最厚处4645m(秦大河和任贾文, 2001; Hambrey and Alean, 2004

始新世末期,南极冰川形成(见图6),而北极冰川形成于中新世晚期(见图6),经第四纪大冰期后,开始消融(Hambrey and Alean, 2004Zachos et al., 2001。所以,南极冰川先于北极冰川形成,但北极冰川却先于南极融化Hambrey and Alean, 2004Zachos et al., 2001。现今,北极地区,除格陵兰岛上尚有一定量的冰川外,整个北极冰川已基本消融殆尽(秦大河和任贾文, 2001。北极冰川形成后,其规模远大于南极冰川。所以,按顺序来说,首先在南极形成南极冰川,然后,在北极形成北极冰川,最后,北极冰川消失,只剩下南极冰川Hambrey and Alean, 2004Zachos et al., 2001

5  固体地球的形变及其原因分析

从以上的冰川分布和变化情况看,南极冰川在始新世形成,中新世中期至今一直有大冰盖存在。而北极冰川中新世晚期开始形成,上新世中期形成大冰盖,而现在北极冰川已基本上消失。所以,最有可能造成现今固体地球南半球中纬度区域膨胀,北半球中纬度区域收缩的,应是北极冰川的消融后的原冰川区冰后反弹。下面,我们来分析一下北极冰后反弹所造成的固体地球和大地水准面的变化情况。

北极原冰川区的冰川消融后,大量的水转移到海洋中,原冰川区出现重力负异常。在这个重力负异常的作用下,北极将上升,南极将下沉;北半球中纬度区域固体地球将收缩,南半球中纬度区域固体地球将膨胀。这样看来,北半球原冰川区域的冰后反弹,就应是造成现今(几千至几百万年)固体地球形态变化的力量。即北极原冰川区域的冰后反弹性上升,引起北极重力负异常,大地水准面正异常,北半球固体地球中纬度区域收缩,南半球固体地球中纬度区域膨胀。固体地球的这种南收缩北膨胀的趋势至少已维持了近3MaGripp and Gordon, 1990,这也和上面分析的北极冰川演化过程(Zachos J. C., 2001)基本一致,即近3 Ma来,北半球巨大冰川一直处于不断的消融,原冰川区域在不断进行冰后反弹。这就间接证明了现今的固体地球的形态变化,是由北半球冰后反弹造成的。若3 Ma来固体地球的这种南半球中纬度区域膨胀和北半球中纬度区域收缩的形变,果真是冰川形成或消融造成的话,也只有北极冰川消融后的冰后反弹才有可能持续如此久的时间跨度和如此强的形变强度。所以,我们可以说,3 Ma来固体地球的这种北半球中纬度区域的收缩和南半球中纬度区域的膨胀,是由北极冰川消融后冰后反弹造成的,或主要是由北极冰川消融后冰后反弹造成的。

但是,若是北半球冰后反弹造成固体地球形变的话,北极原冰川消融后,造成重力负异常,同时也会造成南极固体地球下陷(见图5b),引起南极重力负异常。若南极重力负异常,南极大地水准面将和北极一样,也会突起。虽然南极大地水准面上升的幅度远小于北极,但南极的大地水准面肯定得上升。20世纪60年代开始的卫星测量发现,北极的大地水准面的确是突起的,但南极的大地水准面不仅没有突起,反而下陷,且下陷的绝对值远大于北极:北极上升10,南极下陷30(见图1,)(King-Hele, 1969。固体地球的形变,表示的是几万年至几千万年较大时间跨度的地球岩石圈的地质变化,而大地水准面,表示的是几十年至几万年小时间跨度的重力异常变化。这说明,从几万年至几千万年较大时间跨度上看,固体地球的形变是由北极冰川消融造成的。但在这个大趋势下,几十年至几万年的小时间跨度上,肯定还有一个力,它造成了南极的重力正异常,使南极大地水准面下陷。

使南极重力正异常,造成南极大地水准面下陷的力,人们最容易想到的,就是南极的冰川加厚,造成的重力正异常。若南极冰川果真加厚,它将造成南极重力正异常,引起南极大地水准面下陷。虽然南极冰川加厚,造成重力正异常,使南极大地水准面下陷的同时,也会造成北极重力正异常,使北极大地水准面下陷。但南极冰川加厚造成的重力异常,主要作用于南极区域,对北极的影响强度比较小,一般来讲,仅南极的1/10左右。即以现在南极下陷30来讲,它造成北极的下陷一般也仅3左右。只要北极下陷的这3小于北极冰川反弹造成的大地水准面上升幅度,北极大地水准面仍是上升的。北极冰后反弹,也会造成南极大地水准面下陷,但一般也仅北极大地水准面上升值的1/10,即北极冰后反弹,造成的南极上升也只有1左右。只要这个值小于南极冰川加厚造成的大地水准面下陷值,南极大地水准面仍呈下陷状态。若真是南极冰川加厚造成了现今南极大地水准面的下陷,这个重力正异常,作用于南极,除造成南极大地水准下陷以外,它还会造成固体地球的南半球中纬度区域膨胀和北半球中纬度区域的收缩。这也与固体地球总的变化趋势一致。所以,现今地球的形变,是由北极的冰后反弹和南极冰川的加厚共同影响造成的。因为斯堪的纳维亚和北美哈得逊湾等区域的北极冰川消失,现一直处于冰后反弹期Peltier W R.1994;陶世龙等,1999Stacey F. D., 1992,所以,北极冰后反弹的证据是相当充分的,若我们能找出南极冰川加厚的证据,那就可以证明现今地球的形变,是由北极冰后反弹和南极冰川加厚共同造成的。若我们找不出确实的证据,但能证明南极冰川有加厚的可能性,那也可以证明现今地球的形变很可能是由北极冰后反弹和南极冰川加厚共同造成的。

6  北极冰川消失和南极冰川扩大的原因

南极有30大地水准下陷,说明南极有重力正异常。但是,在北极巨大冰川逐渐消融的时期,南极冰川有可能增厚吗?若南极冰川真的在近代(几百年至几百万年)增厚,造成了这30的大地水准面异常,那又是什么原因造成的呢?

冰川的形成和消失,主要由地球大气层的温度控制。而大气层的温度,又主要由阳光强度和大气层保温强度共同制约。若阳光强度基本不变的话,大气温度主要由大气中的温室气体浓度控制。二氧化碳等温室气体浓度越高,气温越高;反之,则气温越低张兰生,2000 Deconto R. M., and Pollard D., 2003; Tripati A., et. al., 2005

但是,北极和南极,具有共同的大气温室气体的影响,为什么会出现北极冰川的消失,南极冰川的扩大呢?或者说,在同样的温室气体和同样的大气层及同样的阳光强度作用下,为什么会形成南极和北极的冰川的交替出现呢?

这可能主要与冰川形成时冰川距极心的距离有关;也与冰川形成时冰川位于陆地或位于海洋有关。

现今的冰川及其分布,本身就是一个很好的例证。从以上的冰川分布和体积可知,现今全球90%的冰川位于南极大陆(南极洲),北极只占9%。而北极的9%,又基本上都位于格陵兰岛这个较大块陆地上。除开南极洲和格陵兰岛上的冰川,其它的所有冰川,合起来还不到全球总冰川量的1%。全球拥有一样的二氧化碳浓度,拥有相近的行星轨道,这些目前认为可能造成冰川形成和消融的原因,南、北极都是一样,为什么现在90%的冰川位于南极呢?就是因为南极是南极大陆,而北极是北冰洋。为什么北极的冰川,绝大部分位于并不在北极中心的格陵兰岛上呢?也就是因为格陵兰岛是大块的陆地,而其它部分都是海洋。我们再看南极冰川,目前大家一致公认,东南极的冰川减少得很少或没有减少,甚至可能还在增加(Budd W. F., et. al., 1967; Allison I, 1979);但西南极,特别是南极半岛,冰川正迅速消融(Domack E., et. al., 2005; Thomas R., et. al., 2004)。这又是为什么呢?就是因为东南极大部为陆地,而西南极则大部为海洋。西南极冰川消融得最快的区域,除南极半岛末端外,主要位于南极半岛和南极大陆之间的两个大冰架:Ronne, Blchner冰架和Ross冰架。这两个冰架,大部分位于南纬75度以内,而东南极倒是有很大一部分位于南纬75度以外,按说,纬度越高,冰川越不易消融,纬度越低,冰川越易消融,那为什么纬度低的东南极冰川不易消融,而纬度较高的西南极冰架反而迅速消融呢?也就是因为,东南极是陆地,就算纬度稍低,冰川也不易消融,而西南极的冰架,位于海洋之上,而易于消融。这说明,当二氧化碳浓度降低时(或其它的原因造成冰川形成时),冰川要形成,一,它要位于高纬度区域,二,它必须位于陆地之上。也就是说,除非有像新元古宙及石炭-二叠纪时那样的极冷环境,一般情况下,极地冰川只能形成在大块陆地或大陆上,海洋上无法形成大冰川。

因为海洋上无法形成大冰川,冰川只能形成于大块的陆地或大陆上,所以,当因二氧化碳等温室气体浓度下降等因素造成地球温度下降时,若两极均是大陆,就可能形成双极冰川;当一极是陆地一极是海洋时,就形成单极冰川;当两极都是海洋时,就不形成冰川。两极都是海洋时,并不是永远不形成冰川。当温室气候继续减少,温度继续下降,两极结冰面积也随着逐渐扩大,最终抵达陆地时,阻断了海洋的水平对流,或大部阻断了海水的水平对流时,就有可能形成巨大冰川,如新元古宙和石炭-二叠纪时的巨大冰川。所以,两极都是海洋时,除非地球温度极低,一般不形成冰川。但是,若冰川一旦形成,那肯定是巨大冰川。

大陆在漂移,这是魏格纳证明了的结论(Wegener A., 1912; Wegener A.,1923; Wegener A.,2001),也已得到地学界的公认。大陆漂移,有东西向漂移,也有南北向漂移。当大陆南北漂移时,就可能改变大陆的纬度。有的大陆,可能从高纬度区域移出,有的大陆可能从低纬度进入高纬度区域。

当地球温度下降时,若极区某一大陆块上已经形成冰川,假设地球温度不变或变化不大,当已形成冰川的大陆始终保持在极区,或形成后向极心漂移,则这样的冰川就不容易消融,保存的时间就比较长;或甚至会有所扩大。若极区某一大陆块上已经形成冰川,假设地球温度不变或变化不大,当其逐渐漂离极区时,它上面的冰川就可能逐渐消融。若当地球温度下降时,某一大陆块原本没有冰川或冰川很少,当其逐渐漂移入极地区域,它上面就会逐渐形成冰川。如中始新世末期由于二氧化碳的浓度下降Deconto R. M. and Pollard D., 2003,地球开始降温Prothero D. R., 1999,始新世末期,随着澳大利亚与南极大陆之间的洋中脊扩张,塔斯马尼亚海道的开启Barrett P., 2003,将南极洲推向极区。可能就是这个原因,造成了始新世末期第一次南极大规模冰盖的形成。

始新世末期(35MaBP)地球降温南极冰川开始形成时,及中新世中期南极地区形成大冰川时Zachos et al., 2001),可能北极位于海洋中(北太平洋),所以,虽然同样的温度条件,仅只能在南极形成巨大的冰川。后来,由于大陆漂移,北极点进入欧亚大陆和北美大陆区,当再一次温度下降至足够低时(晚中新世,10MaBP),在北极地区形成冰川Zachos et al., 2001)。第四纪大冰期时,冰川扩展现象几乎都发生在北半球,南半球所占比重不足3%张兰生等,2000。所以,北极冰川规模远大于南极地区(因南极大陆远小于欧亚大陆和北美大陆)。

同时,我们可以从现今世界洋中脊分布图看出(见图7(金双根和朱文耀,2003,在西径0°至西径80°之间,没有南北向分裂的洋中脊。这说明,北美-北大西洋-西欧和南美及南极洲之间,没有扩张,但却有收缩Gripp and Gordon, 1990。所以,北美-北大西洋-西欧和南极洲之间的距离,也即西径0°至西径80°之间的径线长在不断缩短,而东径100-180°径线之间的径线长在伸长。

目前,环南极洋洋脊的60-150°E的段落仍为主要张裂段,澳大利亚与南极大陆之间较快速张裂,同时,南极大陆通过90-30°W仍整体向北运动(见图3)(马宗晋等,2003

这就造成北极点和南极点均向东半球移动。这样,就造成北极从近北美大湖地区通过格陵兰岛逐渐移往北冰洋;而南极则逐渐从较小的西南极半岛移向面积较大的东南极。北极区从大陆中心(如北美大湖地区)或大面积陆地(格陵兰岛)移向了海洋(北冰洋)(也可能还有北冰川洋的大西洋北海峡侧和白令海峡侧通道的开启,打通了封闭北冰洋和其它大洋的联系,加快了冷、暖海水的对流和交换),加速了北极冰川的消融;而南极从陆地面积较小的南极半岛移向陆地面积较大的东南极大陆,则造成了南极冰川的扩大。

冰川的形成和消融,除受二氧化碳等温室气体浓度或其它影响冰川形成的因素影响之外,本身还有一个正反馈作用,在加速冰川的形成和消融。因为冰川仅只能形成于大陆上,所以,当某一冰川下是海洋时(即为冰架),这种冰川因海水的水平对流作用,就容易消融。当冰川形成时,大量的海水转移至极地大冰川上,海平面下降。由于海平面下降,原来的冰架,因海平面下降,而变成了稳定的冰川,这就减少了冰川的消融,增加了冰川的稳定性,甚至有可能使冰川增加。这样,冰川越大,冰川越稳定,冰川增加得就越快。反之亦然,当冰川消融时,大量海水从冰川转移至海洋,海平面上升。由于海平面上升,原来本是稳定的冰川,因下部被海水浸泡,变成不太稳定的冰架。不太稳定的冰架的形成,又加速了冰川的消融。

7  南极冰川形成或加厚对大地水准面的影响

从以上分析看,岩石圈内部的岩浆,在一定程度上,可以看成是液态的。同时,从地球具有固体潮,和地球在月球的引力的作用下,赤道附近的周长远大于通过两极的周长看,地球也的确是一具一定粘滞性的球体Peltier and Jiang, 1996; Lambert et al., 2001; Lambeck et al., 1998。地球具有软流层Luhr, 1993。所以,可以把地球看成一个牛顿粘滞性球体。

南极洲在海平面以上绝大部分为冰川所覆盖,岩石所占比例不到总面积十分之一Hambrey and Alean, 2004秦大河和任贾文, 2001。为了计算方便,假设南极在海面之上全为冰盖。由地形高可知(见图2),其分布大致与极点相对称,最高处离极点也不远Seyawa1980。形成中部高、四周低的地势。所以,用球函数拟合冰盖的高程Hθ,λθ为余纬,λ为经度。当冰川作为一个力作用于地球这个球形沾滞体的一极时,它的球函数展开式为(张赤军和陆洋, 1998)

式中,(Anm,Bnm)为第n阶次地形高系数,Pnm。(COSθ为连带勒让德函数。将上式展开到180阶次,其图形如图7b所示,它与原始数据(图7a)之差约为40m(张赤军和陆洋, 1998)

7 南极地地形(a)与球函数表达的南极地形(b)(单位:m(张赤军和陆洋, 1998)

当一个处于流体静力学平衡的地球,在其南极形成南极冰川后,将引起大地水准面效应和重力效应见图8

8 南极冰盖引起的大地水准面效应(下降)(m)(a)和重力效应(增加)(105m/S2(b)(张赤军和陆洋, 1998

由图8看出,冰盖形成后产生的重力效应主要在南半球,且在南极为最大,重力效应增加达119 ×10-5ms2(张赤军和陆洋, 1998。而重力效应最小值在45°S左右;它在北极地带的效应也为可观,重力效应达5.7 ×10-5ms2,但方向与南极相反(张赤军和陆洋, 1998

因此,地球表面的大地水准面的变化可粗略地用图9表示。它随着纬度带的不同而变化。因一个地区的重力值增加(重力正异常),将导致这个地区的大地水准面下降(大地水准面负异常),所以,在65°-90°S之间,随着重力值的增加,大地水准面将降低(大地水准面负异常),且在南极附近降得最大,其值达115m;而北极则随着重力降低(因重力值增加为负值,表现为重力负异常),大地水准面明显增加(大地水准面正异常),上升达14.8m;南纬45°附近,大地水准面明显升高,且在45°附近升高为最大,其值为37m(张赤军和陆洋, 1998

9 南极冰盖对大地水准面下降(m)的影响 (+”北纬;“-”为南纬) (张赤军和陆洋, 1998

根据卫星测量知道,南极大地水准面凹进30m,北极大地水准面凸出10m;赤道到南极60°之间比大地水准面略高,而赤道到北纬45°之间比大地水准面略低King-Hele, 1969对南极来说,115m远大于30m,这说明,南极冰川已经过地球均衡补偿作用的调节,完成了115-30=85m,约占总调节数的85/115,即73.9%;再经过约26.1%调节作用,即再经30m的调节,冰川质量造成的南极均衡重力正异常将消失。

但对北极来说,仅完成14.8-10=4.8m,约占总调节数的4.8/14.8,即32.4%;还需再调节67.6%,即再经10m的调节。这似乎说明,北极的调节刚开始。

以上事实的存在,并不是说明南极和北极的均衡补偿调节不一致;而是说明,北极岩石圈,在这种调节进行之前,就有一个下陷量(10-14.8×26.1%=6.14m)。这个下陷量,是由于北极冰川消融时,还没有来得及恢复性回弹而造成的。如斯堪的纳维亚地区及北美大湖地区,现在均处于冰后反弹时期;不同地区,每年均有不同程度的回升Peltier and Jiang, 1996; Lambert et al., 2001; Lambeck et al., 1998 Gudmundsson, 1999; 傅容珊和黄建华, 2001Stacey1992。若没有北极冰川消融引起的这个下陷量,现在,北极凸出量应=14.8×26.1%m,即3.86m

南极和北极总的重力异常和大地水准面异常变化过程为:

在新生代,当最早南极冰川形成时,南极下降,北极凸出。后北极冰川形成,若比南极大,这时,北极凹陷,南极凸出。再后,北极冰川消失,南极冰川再扩大,这时,南极凹陷,北极凸出。目前,正处于北极冰川消融后的北极岩石圈回升,及南极冰川形成和扩大后南极岩石圈下陷的阶段。且从南极本该下陷量和已下陷量来看,南极冰川形成后造成的下陷已处于地球均衡补偿调节的晚期。假设南极的冰川不再消失,且地球的两极不再形成新的冰川,在不久的将来,当地球的均衡补偿完成后,地球将变成一个南极不凹陷,北极不凸出的标准椭圆球体。

所以,梨形的地球形状(大地水准面,如图1),是由于南极冰川形成和扩大及北极冰川消融而共同作用,造成地球南极均衡重力正异常,北极均衡重力负异常,引起南极大地水准面负异常(下陷),北极大地水准面正异常(上升)而造成的。

8  地球形状今后的变化趋势

因为地球现有的形状,是由于南极冰川的扩大和北极冰后反弹共同造成的。所以,只要这种作用尚没有完成,地球的形状,将还是受这种作用的控制。也即,随着南极下沉,南极的重力正异常将逐渐减小;随着北极的上升,北极的负异常也将会逐渐减小。最终,南极冰川扩大造成的南极重力正异常和和北极冰川消融造成的北极负异常将消失。随着南极重力正异常和北极重力负异常的消失,地球只受月球的万有引力作用,将恢复相对标准的旋转椭球体形状。

若北极冰川不再形成,南极冰川也不再消融,地球将永远保持这种标准旋转椭球体的形状。但是,现在地球的温室气候在不断增加,若北极冰川不再形成,而南极冰川,由于受温室气体增加造成的气温升高影响而消融的话,将造成南极的重力负异常。这时,地球的形状,将是南极凸出,北极凹陷,形状刚好和现在相反。直到南极冰川完全消失后,经过地球的均衡补偿作用的调整,南极的重力负异常也逐渐消失,这时,地球将又会恢复标准椭球体的形状。

各位若想了解这方面有关的详细情况,请各位参见廖永岩著,海洋出版社2007年5月版的《地球科学原理》(28.00元)一书。也可以在以下网址找到这本书的详细目录:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=7010

也可以在以下网址找到有关这本书的部分相关内容:http://www.sciencenet.cn/blog/user_index.aspx?userid=3534

注:本文摘于廖永岩著《地球科学原理》一书。

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