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地球演化和构造运动的能量来源

已有 2155 次阅读 2007-9-18 10:51 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

地球演化和构造运动的能量来源

 

广东海洋大学

廖永岩著
电子信箱:rock6783@126.com

 

从现有证据来看,能作用于地球的能量,主要应是重力势能、放射能、动能、太阳光能等四种。细分的话,重力势能可以分为两类:一是地球在吸积形成过程的早期造成的体积塌陷产生的重力势能;二是地球形成过程中由于熔融而造成的比重大的物质(如铁、镍等)向地心运动,而比重较小的物质(如硅酸盐岩及轻硅酸盐岩,如类花岗岩)向地表运动而产生分异的重力势能。放射能也可以分两类:一是氢等轻原子量物质的聚合而造成质量减少所释放出的原子能;二是铀、钚等物质裂变成低原子量的物质,如铅等,由于质量减少而释放出的原子能。动能,也可以分为两类,一主要是在地球吸积形成早期,大量地外物质撞入地球,地外物质的动能以碰撞能的形式作用于地球的能量;二是地球的自转速度变慢,释放出动能。

现有的证据和公认的事实告诉我们,重力势能、动能,主要作用于地球形成的早期,自从地球形成之后,即地球体积接近于现在的体积之后,它们对地球的影响都相当小。若地球真正存在能引起构造运动的收缩和膨胀的话,也应主要存在于地球体积形成之后,所以,重力势能和动能不足于造成地球大规模的收缩,也不可能造成地球大规模地膨胀,更不可能造成地球周期性地收缩和膨胀。

放射能虽然在逐渐减弱,但放射能具有累加性,所以,放射能有可能成为造成地球收缩或膨胀的能量。但是,地球的放射能是如此之弱,假设所有的地球构造运动都是由于地球收缩和膨胀造成,而所有的收缩和膨胀又都是由于放射能造成的,也即所有的地球构造运动都是放射能造成的话,地球自其存在以来所产生的放射能,应和地球演化过程中造成构造变化的总能量及地球逐渐向外热辐射的总能量相等。通过计算发现,地球的放射能小于地球向外热辐射的能量(陈永生和李自安,1998,甚至不能维持地球的温度,以至于地球的温度不断降低,地球的放射能根本没有多余的能量用于地球的构造演化。所以,仅从能量大小上来说,放射能也不足以成为造成地球所有构造运动的能量。同时,就算放射能能量级别达到了地球构造运动所需的能量级别,放射能也很难造成地球周期性的收缩和膨胀。因为到目前为止,尚没有发现放射能强弱呈周期性变化的任何证据。

综上所述,能造成地球构造运动的能量,仅只有相对来说取之不尽用之不竭,且在不断加强的太阳能。那么,太阳能为什么能成为造成地球构造运动的能量呢?太阳能又是如何造成地球的收缩和膨胀的?太阳能是如何造成地球的构造运动的呢?太阳能是全太阳系都能享受的能量,为什么仅在地球上能形成构造运动呢?这我们在后面的章节里将详细地逐步分析和讨论。

在这里,我们先简单分析一下太阳能造成地球构造运动的可能性。

若真是太阳能造成了地球的构造运动的话,由于它远大于放射能,它还在不断加强,仅从能量级别上看,它造成地球收缩和膨胀,最后造成地球的构造运动,是根本没有问题的。但太阳系里的9大行星,及众多的卫星,都能得到太阳能,为什么仅有地球能产生收缩和膨胀而最终产生构造运动呢?相对其它大多数行星或卫星来说,地球离太阳的距离近,就算是原因,也不应是主要原因,因为,离太阳比地球近的还有水星和金星。地球除离太阳较近,能得到相对较强的太阳光能外,她和其它太阳系星体不一样的,主要是其上有大量的液态水。还有,太阳系里,目前也只在它上面发现生命,也只有地球上有大量的氧气。地球上的生命,是因为地球上有水后,逐渐演化来的;而氧气,是由于地球上有生命,并演化出了能进行光合作用的植物,使地球上的氧气不断增多。所以,就算地球上的生命和氧气是造成地球区别于太阳系其它星体、造成地球收缩和膨胀,最终造成地球的构造运动的原因,也应不是最初的原始原因。所以,若真是太阳能造成了地球收缩和膨胀的周期性变化,最终导致了地球的构造运动的话,主要应是地球上有大量液态水的存在。最有可能的推测是:地球上的元素构成、地球离太阳的适当距离、地球适当的体积和质量、地球适当的自转周期和公转轨道等天文和地质因素的共同作用,使地球上有了液态的水;而这液态的水,造就了地球上的生命;地球上有了生命,也就使地球上有了氧气。在液态水、生命、高含量氧气这些地球仅有的而其它星体没有或没有同时具有的因素的共同作用下,地球利用太阳能,形成了地球仅有的周期性的收缩和膨胀,最终造成了地球仅有的构造运动。

最有可能造成地球周期性收缩和膨胀的三大原因-液态水、生命存在及大量氧气中,生命的存在和氧气的存在,很难单独造成地球的周期性收缩和膨胀。所以,地球上生命的存在和大量氧气的存在,不可能直接造成地球的周期性收缩和膨胀。最有可能造成地球周期性收缩和膨胀的因素,就只剩下大量的液态水了。

根据目前一致公认的事实和证据可知,目前的地球有一个固态的内核,一个液态的外核,一个固态的地幔,地幔外围,有一层准液态的软流圈,软液圈外是固态岩石圈(由地壳和部分上地幔构成),岩石圈外,是地球特有的大量液态水构成的水圈,水圈外是地球特有的含大量氧气等气体的大气圈。我们说地球的体积收缩和膨胀,在很大程度上,我们是以岩石圈(或固体地球)为标准的。也就是说,我们说地球的收缩,是指地球岩石圈的收缩;我们说地球的膨胀,也指的是地球岩石圈的膨胀。若真是地球上独有的大量液态水造成了地球的收缩和膨胀,唯一可能的是,岩石圈外的液态水,以某种形式或某种方式进入地球的岩石圈内部,使岩石圈的体积得以增大。当其从岩石圈内部释放出来时,使岩石圈体积得以缩小。虽然构成岩石圈的花岗岩和玄武岩对水有一定的通透性,但要有能造成地球构造变化规模的水进出岩石圈,并能造成岩石圈体积在一定规模上膨胀和收缩,仅靠少量水的渗透是不可能完成这个任务的。综合考虑现有的事实和证据及地球的演化历史,水圈的液态水,唯一进入岩石圈,造成岩石圈膨胀和收缩的可能,是水在两极形成冰川(当然也可能在高山上形成冰川,但其规模远小于极地地区),通过冰川的形成和消融而造成地球的岩石圈体积膨胀和收缩。

当厚达几千米(如现在的南极冰川平均厚度为2450m,最厚处4645m)的极地冰川形成时,造成极地区域重力正异常,大地水准面负异常。在地球均衡调整作用下,极地冰川和冰川下的岩石圈一道下沉,直至重力正异常消失为止。这样,地球所特有的大量液态水,以冰川的形式,进入了地球岩石圈的内部,使地球岩石圈的体积膨胀。当冰川消融,大量的冰川质量转移至海洋,原冰川区重力负异常,大地水准面正异常。在地球均衡调整作用下,原冰川区反弹性上升,造成岩石圈收缩。

那么,液态水、生命和氧气这些地球特有的因素,又是怎么通过太阳能造成地球周期性地收缩和膨胀的呢?我们将在后面的章节里详细讨论。

 

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20075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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