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馒头、石头、地球 精选

已有 15660 次阅读 2009-2-12 17:41 |个人分类:地学科普|系统分类:科普集锦| 地球, 石头, 馒头, “馒头、石头、地球”, 形成

这几天,看到黄庆兄发兄在大“玩”馒头,咱也凑热闹说了几句。小刺猬想了一下,馒头皮之于馒头、冷凝边之于岩浆岩、地壳之于地球,它们的基本原理是一样的,即可能主要受控于表面效应和相分离效应。呵呵,这不就是一种“大道归一”吗……

咱小刺猬,背着馒头上山换石头,却不“研究”馒头;敲打地球却只知道岩石学、地球物理的些许皮毛,差不多是十几年前的“存货”。把自己粗浅的想法与大家交流一下,说得在理就算科普一下,说得不对请诸位多多指正!

馒头、石头、地球

刘玉平(2009-02-12

馒头皮之于馒头、冷凝边之于岩浆岩、地壳(其实,用“岩石圈”这一概念可能更恰当些)之于地球,看似风马牛不相及,却有基本一致的形成机理从系统结构的角度看,馒头皮、冷凝边和地壳都属于系统的外壳。它们的形成过程,简要地分析如下:

1、       馒头

1  馒头

经过发酵的面粉与水组成一个混合体系,面粉中的蛋白质等构成该体系的格架,水可能主要被圈闭于格架之间的孔隙中。详细的原理,请参见面粉发原理

放在蒸笼等容器里的面团,开始是处于一种外热内冷的状态。“上汽”(容器里的水,受热从液相转变为气相,沸腾而形成较多的水蒸汽)后,面团表面首先与高温的蒸汽接触,由于温度变化速率超过面粉中蛋白质等成分的承受极限,原有结构被破坏而形成一种相对比较致密的膜壳,即馒头皮。

随着温度向内部逐步传递,面团内部的水(以及由于发酵产生的、溶解于水中的二氧化碳)受热变成气态。由于这些气体与面粉不能互溶,且内部的气压大于外部的气压,促使面粉在其结构能够承受的范围内不断膨胀,形成疏松多孔的结构,其中一部分气体从馒头皮中的孔隙逸出。当面团内外的温度和压力达到平衡时,馒头就OK!如果内部向外排出气体的压力超过了膜壳的承受极限,就会象上面照片中右前方的那个馒头一样,“笑”开了花,呵呵。

2、        岩浆岩

岩浆岩是由地壳深处或上地幔天然形成的、富含挥发组分的高温粘稠的硅酸盐熔浆流体,即岩浆凝结形成的岩石。岩浆凝结形成岩浆岩,与蒸馒头颇为相仿。只不过是体系与环境的温度,内热外冷而已。这与打糕(图2,我们的方言称之为“年粑”)的原理更相似。

2    年糕(根据网络图片合成)

岩浆岩有很多种类型,侵位于不同深度的同一类型的岩浆凝结过程与机理也有一些差异(请参见国家级精品课程“岩浆岩”)。这里以外形上与馒头颇为相似的枕状玄武岩为例:

3    枕状玄武岩(根据网络图片合成)

枕状玄武岩(图3),通常是由基性岩浆喷发到海底凝结而形成。岩浆凝结的机理可用图4简要表示,由于水具有很大的热容,岩浆的表面迅速发生冷却(相当于冶炼里的“淬火”),冷凝作用发生在D区,几乎不形成结晶中心,更谈不上晶体生长,因而形成玻璃质结构的外壳。而岩浆内部的温度梯度及变化速率较小,冷凝作用发生在C区与D区,可以形成隐晶质-半晶质结构。感兴趣的博友和网友,可参见图文版(英文)“状熔岩的形成过程”。

4  岩浆凝结机理示意图(引自“岩浆岩”)

其他类型岩浆岩的凝结机理,与枕状玄武岩大同小异,这里就不多说了。

3、        地球

地球是具有圈层结构的行星(图5)。尽管目前尚不能准确地“解剖”地球内部,但依据地球物理以及岩石学资料,已经获得地球内部结构及组成的一些初步信息。

5  地球的圈层结构

地球圈层结构的形成机理及过程,仍然是一项有待于不断深化的课题。一般认为与岩浆岩凝结机理及过程具有很大的相似性:经历了星子吸积阶段的地球“胚胎”,由于最初各种成分的物理化学性质不同,发生分异(相分离)而逐步形成。“轻清者上浮为天,重浊者下沉为地”,就是我国古代哲人对地球圈层形成机理的一种朴素理解。

由于地球内部的放射性元素发生核反应释放出能量,使地幔和地核仍然保持着高达上千度甚至数千度温度。地壳深部和地幔中的一些低熔点物质就形成岩浆,上升到地壳浅表。同时,促使部分地壳返回地幔而发生壳-幔物质交换,进而引发构造运动。这可能就是地震、海啸等灾变事件的重要原动力之一。如果地球内部的放射性元素衰竭,不同圈层之间的温度梯度不足于破坏其组成的结构时,圈层之间的物质交换就将停滞,那时地球将归于死寂……



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