网状周期性地球构造动力的合力场强度解释（1）

李务伦(吉林省煤田地质局二0三勘探队) 李相通(黑龙江省林业设计研究院)

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由于文章较长，共分三次上传，文题后部括号数字为上传次序。

《网状周期性地球构造动力的合力场强度解释》写作说明

自2012年前后思考大地构造为什么出现不同动力成因构造学派以来，便想搞清其中的缘由。早先的六七年中，虽意思到万有引力和热力学定律对揭示地球的演化存在作用，但却处于困惑不解不知何处用力的状态。虽期间对地球的早期演化做了热力学的思考等，仍是不得要领，不知何处下手。不过期间总是将各种地球动力与世人皆知的光的波粒二象性做比较。历史上围绕光是粒子、还是波？两大学派斗争交锋了一百多年，最后随着量子力学的发现，才尘埃落定。不同地球动力解释的是同一个地球，甚至是同一个局部。赵文津院士对此形象的比喻为盲人摸象，因此猜度地球动力可能遇到与光同样的问题，这一猜度是否正确呢？怎样解决呢？

汝果欲学诗，功夫在诗外！这诗外功夫下在那好、下在何处呢？太空舱中的液体，由不规则，迅速收缩为球，最初看到这一现象时，并没觉得有什么稀奇，但要解释这一现象对我来说却非常不容易。于是在吉林师范大学李福山教授的帮助下，在吉林师范大学图书馆，查了许多馆藏地球物理资料及其它资料，均没发现对这一现象的解释。而网上有人将此归为液体的表面张力，可谁都知道对一定质量的液体在地面，表面张力是不起作用的，在太空中为什么就会成球呢？于是反复重温万有引力定律，数年不得解决之法。将此问题数次与李相通交流，至去年达成是否与力场有关的共识，再次读傅承义院士等的《地球物理学基础》一书，重温静电场知识。电场强度、力场强度，顿时我们明白了什么。于是对细长杆外的引力场作数学推导，结果发现所有引力强度方向均指向细长杆中心，顿时明白太空舱液体迅速收缩为球的道理。于是我们顺势计算了均匀球内引力强度方程，旋转球体内部合力强度方程及旋转球体在外部平行力场中的球内部合力强度方程等。至此我终于明白重力动力学、地球自转动力学、以及地外作用均源于所推导的方程。重力动力学、地球自转动力学、以及地外作用它们都是对的，是波粒二象性现象，不同学科的再现。

但还有一个问题还没有解决，地球形成之初存在三种不平衡：力、热、化学势。由此将引起物质的分异和重组。分异的本质是什么呢？密度小的物体投入液体中，快速上浮；密度大的物体投入液体中，则快速下沉。琢磨以后认为也可用力场强度表达这一问题的本质。于是提出了浮力强度和沉力强度计算公式，这二强度也可纳入合力强度方程中。嗣后又研究了浮沉的运动规律，到此围绕地球动力学基本解决。然后开始这一理论体系的应用，从具体应用中，可以说几乎所有问题都能较为合理的的解决。但也遇到新的问题，如物质迁移后产生什么，物质为什么重组、地球对外太空释热的后果等一系列问题。

好在在形成合力强度方程前，已应用热力学一、二定律对物质重组做了一定的探讨。地球的形成是由不同矿物组成的陨星形成的，形成过程中产生大量的热，先是使得局部产生熔融，离子间形成了力、热、化学势不平衡和粒子间距离增大，密度变小，进而产生矿物、离子的重组和物质的分异，也就是遵守热力学第一定律和球内性质进行运动。物质间的分异也就是浮沉，根据对浮沉规律的研究，热作用下的浮沉是一种强迫热对流。整体上看物质间的分异是按密度一分为三：大、中、小密度汇聚。为日后的核、幔、陆提供了物质基础，当然这一切是在地球内部合力强度方程的规范下进行，也在克拉柏隆方程的规范下发生相变。物质的迁移产生位能差，位能差转变为热能与分异出的重核素产生的热，对形成中的地球影响较大，加快强迫热对流的速度。强迫热对流存在内部规律或结构，为便于叙述，在文中将强迫热对流称之为热结构。热结构的存在也是多种多样，有点、有线、有链、有网。这些热结构可生可死，进而影响表层小密度物的聚合，也就是日后的大陆漂移。

地外空间是冷源，地球是热源，根据热力学定律，地球不断的向外太空释放热量，使得地球降温，但地球的降温使得表层固结，形成保温，影响热结构的运动。借用唐春安教授的热平衡方程对地球周期性的降温提出了解释。释热到一定程度，地球通过固结进行保温，因保温使得热能积累，到一定时期使得地球再次释热。一释一保间，使得物质一胀一缩，出现地球径向脉动。

通过上述叙述，五大动力系统：重力、膨胀收缩与脉动、地幔分异与对流、地球自转、星际作用；均已涉及。可见这些动力学说均非空穴来风，它们背后是最基础的万有引力定律和热力学定律。这仅是一家之言，如果正确为正确认识地球动力添砖加瓦，如果错误为有志于地球动力学解决的学者提供可避免的覆辙！但从整个研究来看，我认为地球动力如果排个先后，马杏垣院士的重力动力学当排第一，其次为李四光院士地球自转，再其次为热力，最后为星际作用和膨胀收缩与脉动。中国人五大动力系统最少占其二，更何况在后三个动力系统中，中国人也有可圈可点的贡献。有了这些底蕴，可以预见未来的地球科学发展中，中国人一定会有更大作为！欢迎老师们对此提出您宝贵的批评性意见和建议！

在此文写作过程中，吉林大学杨学祥教授对球内部强度方程首次建立提出肯定性意见，并提供可借鉴的资料；吉林师范大学姜文珑教授就球内部强度方程首次建立提出修改建议；中国地质大学（北京）毛小平博士、中国科学院大学梁光河博士、中国海洋大学李园洁博士，提供了可借鉴的资料；本单位王子龙学士在收集资料过程中提供帮助，在此一并表示感谢！李相通在讨论建立球内合力强度方程和等压力面变形中，起了相当的作用，故而是本文的第二作者。

李务伦

2021年4月中旬于四平

摘  要

通过计算可以得出太空中，均匀介质的正体球内引力强度、引力位、压力的数学方程；旋转球体球内合力强度方程为扁平椭球方程；旋转且处于外部平行引力场中的球体，球内合力强度方程为椭球方程。对于具有球壳的球体，其球内合力强度方程基本与上相同。根据这些首次得出的合力强度方程，对处于太空的任意球内，可得出如下性质：“1：合力强度线为曲线、合力强度线切线方向与压力方向相同，所有合力强度线止于球心；2：等合力强度面、等压力面、等合力位面均为椭球形；3：合力强度线切线与等合力强度面、等压力面、等合力位面垂直；4：球内部椭球面上，合力强度值处处相等，压力值处处相等，合力位值处处相等；5：球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等；性质6：所有物质，由球心向外，按密度从大到小圈层展布；7：球内所有质点具有动态平衡和周期性变化的特点”。这些性质决定了太空物质的形态为球形，以及球内部物质展布及运动，是地球重力动力学、自转动力学、外部影响动力学的根源与源头。地球由星云物质聚集而成，在聚集过程中遵守球内六性质。但位能、放射性等，使得聚集中的地球升热，使得内部物质具有力、热、化学势的三种不平衡，这些不平衡除遵守球内性质外，还将遵守热力学一、二定律：一是发生物质迁移，二是发生物质重组及物质相态变化。由于组成地球元素含量特征，重组的物质在迁移的作用下整体一分为三。物质迁移的本质是浮沉，且存在沉浮强度；上浮的物质存在一定的规律，即内部结构。物质受热，粒子间距离增大，密度变小，物质上浮，因而受迫对流--点源热结构形成。点源热结构间可以演化为线源热结构，线源热结构可以演化为链源热结构，链源热结构可以演化为网源热结构。分异出的小密度物位于网眼上，分异出的大密度物，位于热结构之下，且是生热源之一。热结构可生可死，热结构的生死影响这些小密度物得聚合与分离，这些一直影响到至今。地球是一热源，外太空是一冷源，根据热力学一、二定律，地球每时每刻都对外太空释热，影响着地球的温度和物质相态。在表层物质释热到某一时刻，表层物质形成保温层，热结构由强变弱直至不在，地球径向收缩；保温层厚度因地球释热不断增加，内部热能也因保温层厚度的不断增加而增加，在某一时刻保温层由增加转为减薄，异于之前的各种热结构，于大密度顶部（后期的核部）再次活跃，并不断减薄保温层，地球径向膨胀，直至某一时刻再次释热。这种情况地球的早期并不明显，后期则周而复始。地球处于降温升温，径向上则处于收缩膨胀的变化中；地球的收缩与膨胀，加上前述的：重力、自转、地外作用，至此五大动力学系统全部聚齐。月球围绕地球周期性运动；地球围绕太阳周期性运动和章动；太阳系围绕银心运动周期性运动，且周期性穿越银道面，这些周期记录于地质构造中。

关键词：万有引力定律、场、合力强度方程、球内性质、热学定律、热结构、构造动力、构造周期性

目   录

《网状周期性地球构造动力的合力场强度解释》写作说明 I

摘  要 III

1  各种地球动力假说的回顾及存在问题 1

1.1  地球动力假说形成简要回顾 1

1.2  地球收缩动力假说[3] 4

1.3  地球膨胀动力假说 5

1.4  地球脉动动力假说 6

1.5  地球自转动力假说 7

1.6  重力分异和重力作用假说[3] 9

1.7  地幔分异与对流假说[3] 10

1.8  涌流构造假说[3] 12

1.9  层块构造热涌假说[1] 13

1.10  热点--地幔柱假说[3] 14

1.11  星际作用假说[3] 15

1.12  核能之于地球演化[29]24-35 15

1.13  对大地构造形成的看法 16

2  地球的起源及元素构成 20

2.1  地球的起源 20

2.2  组成地球的元素及吸积模型 20

2.3  陨石类型和化学组成[38]27-34 22

2.4  地球的化学元素组成[38]38-59 23

3  地球形态塑造 25

3.1  万有引力定律与星球形态塑造 25

3.1.1  物体为球态的缘由举例 26

3.1.2  均质球体的外部引力强度 26

3.1.3  均质球体内引力强度 27

3.1.4  均质球体内部的压力 28

3.1.5  均匀球体的引力位 29

3.1.6  引力强度线方程及引力场性质 30

3.1.7  球内性质对不均匀物质的形态塑造 31

3.1.8  球内性质对重力地质现象的解释 34

3.1.8.1  对盐丘上浮的解释 34

3.1.8.2  对陨石撞击作用的解释 35

3.1.8.3  对青藏高原隆起的球内性质解释 35

3.1.8.4  地应力状态及成因解释等 40

3.2  球体绕轴旋转与在力场中的形态 43

3.2.1  球体绕轴旋转与地球形态 43

3.2.2  恒定平行力场对旋转球体的影响 44

3.2.3  外力场中旋转球内部强度方程 46

3.3  一般情况下处于外力场中旋转球体的球内性质总结 47

3.4  主要星体对地球的影响 48

3.4.1  对固体潮引力潮的解释 48

3.4.2  对经向纬向构造和波浪状镶嵌构造网的解释 49

3.4.3  对构造活动韵律的解释 50

3.5  从具体事例看具体的地球动力学之一 51

3.6  浮沉与等压力面作用的分析 51

3.6.1  浮沉之始对等压力面的影响分析 51

3.6.2  浮沉引起的流体运动结构的分析 53

3.7  浮沉引起的等压力面变形的具体应用分析 55

3.7.1  大洋中脊重力异常和“负浮力”的形成分析 55

3.6.2  “负浮力”和岛弧处重力异常的解释 56

3.8  压力与粒子间距离的关系 58

.3.9  地球各种参数展布及地球圈层结构 59

4  热运动理论 61

5  地球成长过程及热运动 63

5.1  地球成长过程 63

5.2  地球成长温度及相态变化 68

5.3  地球成长内部变化分析 69

6  热、统理论在地球形成Ⅰ阶段的过程的作用 72

6.1  热、统及引力在地球形成的作用过程中综述 72

6.2  均匀物质热运动的初始热结构 75

6.3  热结构的增大与粒子间的分异 76

6.4  热结构的场分析 77

6.5  小密度物与热结构间的平衡分析 79

6.6  不同热结构联合的形成分析 80

6.6.1  由点源热结构到线源热结构 80

6.6.2  线源热结构的组合形成分析 81

6.6.3  由错轴热结构到网源热结构形成分析 81

6.7  热结构存在的证据 82

6.7.1  形态证据 82

6.7.2  重力资料证据 86

6.7.3  地震资料及岩体形成的俯冲带证据 86

6.7.4  地震资料-大型低速切变区的证据 87

6.7  由低速切变区引起的热能来源问题讨论 88

6.8  小密度物的开合 91

6.9  热点的热统计形成分析 93

7  热结构与第Ⅱ阶段的原始地球 95

8  第Ⅲ阶段地球的演化 96

8.1  壳的形成及作用 96

8.2  降温对小密度物的影响 96

9.  地球内部合力强度方程及其讨论 98

9.1  热结构强度方程 98

9.2  大地构造的周期性讨论 99

9.3  大地构造受自转影响等讨论 100

9.4  强度方程与其它构造学说的关系 100

10  地球向外太空释热对地球的影响 101

10.1  地球热运动综述 101

10.2  地球对外释热平衡方程 102

10.3  对热增量平衡方程的讨论 103

10.3  地球演化温度升降变化 104

10.4  关于地球的收缩、膨胀及脉动 106

11  海洋扩张遇到的问题辨析 107

11.1  不利海底扩张的证据 107

11.2  海底构造情况 110

11.3  海底增生构造位置关系与海底扩张 113

11.3.1  大洋中残留陆块形成海底扩张分析 113

11.3.2  扬马延海脊演化形成分析[116] 115

11.3.3  对海底存在陆相物质的总结 115

12结语 116

1  各种地球动力假说的回顾及存在问题

1.1  地球动力假说形成简要回顾

地球上有山川、平原、河流、湖泊、大海和不时的地震等等，使人们不禁要问，这是为什么？在《诗经》中有“高岸为谷，深谷为陵”的记载；公元前500年古埃及和古希腊学者，从贝壳化石认识到海陆的变迁；宋时沈括《梦溪笔谈》、朱熹《语录》中，对地壳升降运动有科学的论证和地质构造发展过程的分析。

从十七世纪中期开始，对孤立地质现象的感悟，使人们进入到对地球及山脉成因的探讨之中。1664年笛卡儿出版了《哲学原理》一书，书中提出：组成地球的粒子按密度大小聚集，因而有了层状结构的地球。莱布尼茨提出：早初的地球是发光的熔融体，后冷却收缩而成，并认为当海水漏入地下孔穴时，引起水位下降，山脉因此形成。帕拉斯通过对乌拉尔等地的考察，认为山脉是由地下扰动引起轴部隆起而成，提出了早期的山脉隆起说。十八世纪末十九世纪初“水”、“火”之争，对于山脉，水成派认为山脉是水中物质结晶长期积累而成，火成派则认为山脉由岩浆上涌而成。

十九世纪后半期，是槽台理论形成期。1859年美国霍尔，通过对阿巴契亚山的研究，认为阿巴契亚山早期为接受沉积物的槽地，后期槽地收缩而成为山脉，因而提出地槽；1883年美国丹纳研究北美构造，也得出同样的概念。1883年卡尔宾斯基研究俄罗斯平原地质，得出俄罗斯平原基岩，由上、下两个明显不同的的构造层组成，这两个构造层在形成规律和发展特征上，有着显著的不同，代表了两个不同的大地构造发展阶段；1885年修斯在《地球的概貌》一书中，将这种平坦地区称之为地台，此时地台概念主指某地区地壳，自形成后不再褶皱且稳定。在研究地质构造的过程中，对引起构造的的力是什么的疑问，日益凸显。1881年费希尔(O.Fisher)出版《地壳物理学》一书，书中提出了地幔中可能存在地幔对流。

20世纪初的1912年魏格纳，在前人的研究基础上，依据各种客观证据，提出大陆漂移理论。大陆漂移虽一度被否定，但随着20世纪50年代，英国学者布莱克特和助手朗考恩对各大陆不同时代地磁测量，发现古地磁纬度，与测点目前纬度有很大差别，大陆漂移再度开始复活；而真正使其复活是20世纪60年代，以赫斯为代表的根据地幔对流为动力，提出海底扩张。然而随着威尔逊对皇后岛链的解释，板块学说地幔对流-传送带模式被否定，板块学说动力机制至今不明。为了解决板块学说动力不明的局面，因海沟处热流低于洋脊，认为海沟处板块密度大于洋脊处，海沟受到的重力大，被认为是板块学说的动力源；因而前英国皇家地球物理学会主席Bott和Kuznir，在归纳总结诸多客观事实，特别是海沟存在负浮力后得出：“与其说地幔带动板块运动，不如说板块带动地幔运动”的论断[6]63。可问题是海沟处下沉，必然形成海沟下部质量的富集，洋脊处质量的亏损，地幔柱的出现，地幔柱向洋脊提供物质，似乎弥补了这一缺陷。

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在板块学说兴起前后，不同学者依据所掌握的证据提出了不同动力学说，以解释它们所掌握地学现象，这些学说很多，除板块学说兴起的动力学说外，以下学说也广为流传。地球收缩说、地球膨胀说、地球脉动说、地球自转说、重力分异说和重力作用说、涌流构造说、层块构造热涌说、热点-地幔柱说、星际作用说等；再加上表1-1所列与上不重复的学说，地球动力学研究可谓精彩纷呈，蔚为大观。然而地球仅有一个，驱动地球构造的动力事实也只能有一个，且只能有一个。杨学祥对此有精彩表述[7]：板块分割是现象，内部动力是本质，外部因素定周期。

对从事地球动力研究的学者，毛小宁（2020年）进行了不完全统计，统计结果表明，从事这一研究的不少于三十八个个人（或团队）[1]，详见表1-1[2]（注：表中39,40是作者加的）。从统计看，时间跨度超过100多年，可归纳为五大动力系统[3]1：①重力；②膨胀收缩与脉动；③地幔分异与对流；④地球自转；⑤星际作用；可见地球动力研究的难度。

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  方曙（2016年）对地球动力研究情况有如下见解[4]：每个研究者“从某一个或几个方面的地质现象来分析，都由其合理性，但结合不同的地质现象进行分析时，就会矛盾重重”。陈志耕[8]（1992）对影响比较大的地幔对流、地球自转、地球体积变化三类动力说，有“都还存在一些难以克服的困难问题”。可见地球动力的解决绝非易事，绝非是理论上创新了事，绝非理论上的创新排他了事，而是理论上的圆融、容

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他，找出共同点，上升到理论上的更高层次。莫宣学院士（2019年）对地球动力的发展有如下的表述[5]：“只有站在地球系统科学全局的高度，才能认识地球科学的真谛，也才能研究揭示各个具体学科的规律”。马宗晋院士（2003年）对地球动力的发展也有论述[1]39：①能对全球构造特征及其空间分布规律、构造演化过程做出解释；②所依赖的动力因子既有足够的能量，其作用方式又能合理地说明构造变形场的特征；③符合物理学的基本原理和地球内部物质的物理-化学性质。

五大动力系统全都涉及到“力”，②、③涉及到热，表1-1中研究者也基本围绕这两者从不同角度展开论述。2019年的地球动力学术研讨会对地球驱动力达成的共识是[5]：“重力和热力”。地球重力是物质在万有引力作用下汇聚而形成的，而“力”与“场”相关联，“热”的运行应遵守热力学定律，热的做功，又和力联系到一起，也许“场”是地球的最为重要，且唯一的驱动一切运动的动力。基于这一认识，下面将从万有引力开始，探讨地球内部力场的形成，且在这一力场下讨论地球的形成过程中各种问题：热是如何形成的？大陆是如何形成的？海洋是如何形成的？洋中脊是怎样形成的？俯冲带是怎样形成的？大洋中古陆是如何滞留的？等等一系列问题。

在进行场的的讨论前，将各种主要动力学说要点，录取于下。

1.2  地球收缩动力假说[3]

1929年杰弗里斯，在接受康德-拉普拉斯太阳系起源说观点，对比皱缩的苹果提出了该地球动力学说。该学说核心是：认为最初地球是有炽热气体组成的，在其发展的早期，从外向内逐步冷缩而变成熔融态，进一步的冷却，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低开始向外凝固，通过传导逐渐变冷。地表下700km以下的范围内，从地球开始凝固以来还没来的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；浅于70km的范围内，岩石早已冷却，靠太阳辐射维持热平衡，没有大的温度变化。因此，70km深处为无应变面，其下的熔融物质继续冷却收缩，其上的地壳为了保持平衡而挤压并产生山脉，这一过程类似苹果的干缩。

    888年Davison也有类似设想，他认为：地球由冷却而引起的收缩只发生在上层，它处于内部引张的状态中。由于大陆压力的影响，在大陆之下的引张量远小于大洋区下的引张量，使大洋盆地更进一步沉降，这是大洋盆地永为大洋的根本物理原因。任何造山效应都是在大洋与大陆交接的地方表现的最为突出。此学说一直流行到20世纪50年代，但随着更多的地质构造现象被发现，特别是大陆漂移复活，这一学说受到极大地挑战。但地球向外空间辐射热能是不可否认的事实，在地球演化的过程中收缩是一定存在的，为修正这一学说产生了：①弹性不稳定假说，该假说认为地球变冷时，岩石圈褶皱作用而变弯，仍类似干缩苹果；②断裂-收缩假说，该假说认为，岩石圈収缩幅度极大，以致它们在弹性上可能不稳定，而且其破裂不是由褶皱或挠曲造成，而是有断裂造成。尽管做了如此的修正，仅面对陆壳大幅度漂移证据则就束手无策,更何况面对张性的裂谷、构造的周期、地壳运动的区域性等。但不可否认的是[16]611：该学说首次提

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出了具有明确物理基础的全球地球变形的动力起因，较之以前各学派对地壳运动的本质认知上出现了一次明显进步，关键是揭示了水平运动的存在。

图1-1

可从该学说基本假设来看，依据热力学理论，地球可以看成是一开放系统，这一系统的演化如图1-1[8]所示。从图中我们看到地球温度具有周期性变化的特点，总体温度呈下将趋势。根据物质热涨冷缩的一般特性，地球还将存在径向上的变化，这同样是冷缩说解释不了的。但这一学说承认分异的存在，可具体如何分异，基本上是一句浮沉原理而已。这一学说滕吉文认为[20]：它无法解释大陆漂移、海底扩张和板块运动，更无法解释地幔热柱和海洋板块的俯冲、消减和强烈地震的发生。因此认为这一学说，过分渲染收缩作用，不利于问题的解决。

1.3  地球膨胀动力假说

1620年培根提出地球膨胀观点，此后不同学者，为解释造山运动和大陆及大洋形成，提出多种类似观点的假说。膨胀假说的基本观点是：假定地球是有若干层组成的，最顶上一层代表地壳，其下相邻一层代表膨胀层，所产生的应力又转而使地壳屈服。1933年Hilgenberg根据大陆可拼合为一个球面的事实，认为过去的地球比现在小的的多，并被硅铝壳所覆盖，后因地球膨胀，体积增大，硅铝壳因受拉张而破裂，大陆和海洋形成[3]40。对于这一假说，文献[8]系统详细的叙述这一历史形成过程，并从大陆几何形态（2个证据），地质（12个证据），天文及地球物理（4个证据），数学（Γ分布证明全球灾变性断裂），地球排气等20证据阐述地球膨胀的存在。文献[9、10]总结有近20年地球膨胀的数据：①地球近1-3Ma尺度范围内约有0.24mm/a的半径增长率；②地球在最近20-25a的小尺度范围内约有0.15mm/a的半径增长率。文献[14]通过模型计算，发现在纬度、经度方向，地球表面积，均存在轻微的年增大；地球半径M05下年增大0.2748mm，地球半径M25下年增大0.1356mm。从上面的的资料看，地球膨胀可谓是言之凿凿。尽管如此，仅褶皱这一地质现象，膨胀动力说就难以解决，更何况大规模的陆块漂移及俯冲带的存在。

对于引起地球膨胀的动力原因，早期是因放射性的发现，20世纪20年代中期，地壳中同位素衰变放热使人们认识到，衰变热可能导致地球膨胀[16],因单一收缩并不能解释一些新认识道的问题时，地学家们开热衷地球膨胀研究。新近陈志耕（2002年）[11]提出了地球在引力自收缩到临界值后，开始膨胀的量子理

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论。文献[12]杜国强、刘植凤等用物态方程对地球内核物态热效应进行了研究，给出了地球内核的温度分布。王建安（2020年）[13]通过宇宙膨胀的减速，导出时下原子或离子半径具有以下关系：（式中：ra-是物体相对于以太以速度v运动时构成该物体的原子半径；ra0-是物体相对于以太静止时构成该物体的原子半径；C-为光速，v-宇宙膨胀速度）。从该式中随着宇宙膨胀速度的减小，粒子半径增大，因而地球膨胀。还有学者[3]41认为地球万有引力常数G减小速率是5×10-11/a，所以也引起地球的膨胀。因此根据上述叙述地球膨胀是自然而然的事，但有一个问题[3]41“地球膨胀说难以解释密度的巨大变化，这是其一；其二，…地球膨胀的惯性矩是现今值的1/4，地球的自转比现今快的多。而古生物钟和天文观察证实，一天的长度（日长）只比现代的少约10%，远达不到引起膨胀的期望值”。所以前面提到的地球膨胀的动力，是值得商榷和值得存疑的。因而目前对地球膨胀也存在有[3]41：“①热效应，②地球内部物质的化学变化或相变，③G常数缓慢较小”的看法。这一看法，尤其是前两种恰好与图1-1周期性的地球冷暖变化，有些呼应。

文献[10]对地球膨胀与板块的关系做了如下的表述：“Condie（1986年）曾认为膨胀的地球与海底扩张并不矛盾.同样，地球膨胀构造与板块构造也没有根本的分歧，二者不仅所依据的事实证据基本一致，而且在许多认识上也是相近的。两者的根本不同之处在于：地球膨胀学说引进并包含了板块学说正确发展的某些方面，是一个更高层次的学说（牛来正夫，1986）”。对于这种表述，可以看做是各种动力学相互兼容、融合，不再固执己见排他的良好表现，因为事实只能有一个，而每一个动力学理论假说，可能看到是“大象的鼻子、大象的耳朵、大象的腿等等”。我们虽非盲者，但限于认识的局限，未必不做盲者之事，笔者时下也在其中。

1.4  地球脉动动力假说

1933年布赫，鉴于地球收缩说和地球膨胀说各包含合理性，又都存在问题。在这两种假说的基础上提出地球脉动说。布赫认为地球膨胀与收缩，周期性交替发生。膨胀期：地球受到引张作用，产生大规模的隆起与坳陷，大型裂谷与岩浆喷发；收缩期：地壳受到挤压，产生褶皱山系，并伴有岩浆活动。这一学说在槽台观点盛行时，广为流传，几乎成了槽台的动力基础[3]41。

这一学说的短板在于，在面对岩石圈大规模水平运移、地质构造的方向性，脉动假说几乎没有说服力，最不能解释的就是同时发生的张裂和汇聚[16]。Кропоткий(1989)认为，地球动力学模式既要考虑地球收缩，也要考虑地球的膨胀，体现脉动假说和解释岩石圈移动的假说相结合的地球动力学模式是最有前景的模式。并提出了一个将脉动说与壳下流、大陆活动论结合起来的地球动力学模式。依次观点，当地球收缩和膨胀时，收缩集中在一些带上，而膨胀效应集中在另一些带上，在这种情况下，处于中间的断块从拉张带移向挤压带，是一种活动论的观点。[3]41

        唐春安（2015年）[7]认为地球是一个开放的热力系统，这一系统遵守热力学第一定律，具有如下的平

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衡方程：ΔΩE=ΔΩr+ΔΩp(σ,T)+ΔΩi+ΔΩo ，（其中，ΔΩE是地球的总热能增量，它是地球系统内能变化和对外做功的总和；ΔΩr是地球内部的放射性衰变热增量；ΔΩp地球物质凝固和熔融过程中产生的相变热增量；ΔΩi是太阳对地球的辐射热增量；ΔΩo则是地球对外太空的辐射热损失）。地球的热来源于放射性，大的龟裂使地球急剧失热而冷却，地球表层因而形成良好的保温盖层，从而引起地球内部聚热，再次龟裂失热，地球表层再次形成保温盖层，就这样周而复始，如图1-1所示。因此，这一地球大龟裂，在此窃以为是一种新的地球脉动论。它丰富了地球收缩与膨胀内容，从物理理论上阐明了地球热运动的一个方面，但在大陆的形成、漂移、俯冲、转换断层等，窃以为留有欠缺。

杨巍然将开合规律用构造研究始于1987年[15],2018年形成开合旋理论体系[17、18]，李三忠[16]对这一理论体系这样写道：进入21世纪，杨巍然等（2018）倡导的开合构造大体与此（注：指脉动说）类似，现今称为开合旋构造体系，将地球的驱动力归结为热力与重力的对抗同一或转换。该学说认为[17、18]：以热力（热能）驱动物质上浮定义为开（注：膨胀），以重力（势能）驱动物质下降的运动定义为合（注：收缩）。开合在旋（注：地球自转）的统领下和调剂下建立新的动态平衡，从而形成开合旋构造体系。这一体系也可归到脉动学说体系，可以看成是脉动学说再延伸。

根据上面的表述看，脉动说的发展中，其动力涉及了重力、热以及地球自转，地球动力有了向体系化发展的思想，因为地球本来就是一个巨系统，无论收缩、膨胀、脉动，都是客观存在的，是地球演化过程的一部分。因而李三忠有如下的表述[16]：从收缩说和膨胀说的困难中，人们逐渐认识到，企图用单一的某种地球内部动力过程来说明全球一切大地构造问题不现实也不合理。20世纪70年代以来，大多数地球科学家转而寻球较为全面的动力学解释，对可以解释地球矛盾的动力的地幔对流说等机制表现出较大的兴趣。因此厚此薄彼、排他，可能使思想僵化，妨碍了地球动力的发展，徒耗研究者的心血。

1.5  地球自转动力假说

魏格纳的大陆漂移说的驱动动力是离极力，离极力来源于地球自转。这学说从一开始就遇到固定论学派的激烈反对，长期受到压制，直到20世纪60年代，由于海洋地质和洋底扩张的确定，导致板块构造理论的提出，才肯定了魏氏理论的正确性[18]。在大陆漂移说备受责难的情况下，李四光于1926年发表了长篇文章“地球表面形象变迁之主因。强调了地壳水平运动的重要性，论述了他对地壳运动的一系列看法与理论，并对魏氏理论给与了高度评价与支持。在文章中作者初步提出大陆构造和构造体系的想法[18]。李四光的这一文章标志着地质力学的形成。关于地质力学的力，李四光强调四种力[18]：离极力；地球自转速度变化引起的力（上下运动的力和东西向的力）；重力均衡的作用；太阳与月球引起的潮汐力。

    1926年李四光全面系统地研究了地球自转对地壳运动的动力作用，并且形成了一整套完整学说。地球自转线速度在赤道上高达1600km/h，所以是一以一定角速度旋转的椭球体。在图1-2中，在地表任取一点A，该点的离心力：F=mrω2，式中：r--地表质点到自转轴的距离，m--地表质点质量，ω--地球自转角速度，F--地表质点的离心力[3]。

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图1-2 地球自转产生离心力及其分力的图解       

图1-3 从横切赤道的平面上看离心力的分力分解

对于图1-2中A点，可有图示的分解，重力与F2相等，水平分力F1=FsinΦ（维度）在地壳中各点，总是与地球表面相应的一点的切线平行，总是与经度一致指向低纬度向，且随维度降低逐渐增大，如图1-3所示。

因此，自转说认为，在地壳的许多部分和地壳的上、下层中，虽然各自都有区域性的特点，表现不同的运动方式，但归根结低，它们总的方向都是一致的，即：不是经向的水平错动，就是纬向的水平错动。经向的水平错动，有把地壳上层物质，从高纬度向低纬度推动的趋势；纬向的水平运动有把大陆向东、西两方面分裂，使南北大陆相对扭动和大陆西部边缘挤压，成为褶皱山岭地带的趋势。造成这种趋势的原因，是地球自转速度的变化，地球的转动惯量为I=∑mr2，依角动量守恒原理C=ωI（C常数），地球内部物质如果集中，它的自转速度一定变快，相反，如果地幔中大量高密度物质侵位到浅层或喷出地表，加大地球转动的惯性距，其自转速度必变慢。

1973年李四光又提出,当地球角速度增加到一定数值时，地壳，特别是它的上层，在等温面上升的条件下，就会沿着某些纬度和某些经度发生挤压性或张裂性的大规模构造运动，同时，在在某些个别地区，又会发生水平扭动。这些运动的主要趣向是使地球的形状适应它加大了的自转速度，导致地壳的扁度稍稍加大；一旦这些大规模构造运动发生后，跟不上随着基低往东加速前进的大陆部分出现整体稍微向西错动的趋势，因而大的纬向构造产生。由于向西错动的大陆基低受到阻碍而发生摩擦，或由于大规模较重的岩石向地球表层侵入或流出地表，以及由于大规模区域变质等作用的影响，或由于潮汐的影响，地球的角速度又会稍稍变慢。角速度的变慢可能导致与上述情况类似，但方向相反的构造运动。这样就提出了一个简单的推断：即在全球性大规模构造运动发生以前的一个时期内，地球角速度逐渐加大；而在大规模构造运动的期间及以后，地球的角速度又会显著变小。

    1990年，Doglioni不知是因板块运动动力的传送带模式被否定的原因，从地球自转的角度对板块运动提出了如下解释：岩石圈与下伏地幔间去耦程度的差异，可能是板块运动变化的原因。他根据世界不同地区板块运动方向的资料，绘制了软流圈向东流动和板块朝西运动的流线图1-4，用来说明岩石圈与软流圈相对运动结果。图中流线走向与主要板块运动方向一致。裂谷与挤压带大致与流线垂直，张扭或压扭地区与流线的总走向斜交。新生带裂谷带的伸长和山链的缩短轴与全球流线一致。流线的全球性大起伏可能是由于地球自转轴的不稳定摇摆引起的。

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Doglioni，1990  大白箭头指示相对于向东的地幔流，小的黑箭头指示板块的西向运动(据谷歌地球有修改）

图1-4  推断的板块运动流线图[3]344

在向西运动的岩石圈和向东运动的软流圈之间存在一滑脱带，其深度与软流圈顶部的低速带一致。在完全由大洋岩石组成的太平洋板块之下，低速带非常发育，岩石圈与软流圈之间去耦强烈；古老的大陆地盾，低速带不明显，去耦作用很弱。岩石圈和软流圈之间去耦作用的差异，可以解释所观察到的板块边界的变形。正是由于在这个全球性滑脱面上板块有不同的速度，才产生了板块之间的分离和碰撞，否则这个系统就是固定不动的。除了上地幔低速层这个主滑脱面外，在地壳底部和下地壳内还可能存在滑脱面。

1992年Meyerhoff等，通过对全球许多构造的调查，列出了54种朝东定向的构造现象，这些朝东现象用地球自转的动力作用最容易解释。地球自转影响地球形态已是不争的科学结论，但是否造成构造形成，1979年，王仁院士计算地球自转速度变化，引起的构造应力值仅为几个帕；这与实测构造应力值都在几十到上百吉帕，相去甚远。滕吉文等在论述这一学说时指出[20]：“应当看到地球自转假说有一定的合理内核，但对陆内造山、成盆及其耦合响应，地震与火山的形成等一系列巨型构造体系，特别是其深层动力过程和物质能量的交换尚难以给出理念和解释。因为地球自转假说所涉及的仅为地球的浅表层过程，而在地球动力学研究与探索中，其深层动力过程是主要的。

1.6  重力分异和重力作用假说[3]

     重力分异说认为，地球最初是冷的、固态的，在放射性热的作用下，地壳下层物质融化而引起重力分异作用，轻的物质上升、重的物质下沉，形成垂直流，引起地壳的垂直运动。由于不同深度的压力和温度条件不同，熔化和分异作用的发展是多层的，主要有浅层和深层两层：浅层的分异作用较强、较快，是地槽剧烈运动的原因；深层的分异作用较为缓慢，是地台缓慢运动的原因。浅层分异作用开始早结束也早，使地槽转化为地台；深层分异作用继续进行，使已稳定了的浅层局部重新活动，产生地台活化现象。在重力分异过程中，随着热能的变化构成一个构造旋回。当热能再聚集到一定程度时，熔化和分异作用就会开始；当热能消耗后，熔化和分异作用停止。

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大量的重力测量成果证实，重力均衡是地壳隆起、沉陷最主要原因，就连滑坡、崩塌陷落等外力地质现象也主要是重力作用引起的。1987年马杏垣认为，重力可以影响一切构造变形，在岩石圈-软流圈中由各种因素引起重力失稳的动力系统中，会有足够的势能驱动全球板块的水平运动，该假说把地球的垂直运动与水平运动联系在一起，对局部的水平位移和构造变形可以解释，但对大规模水平运动则做不到。就地壳运动而言，重力虽无处不在，但它往往不是构造作用的起始原因，而是某种构造作用破坏了地壳或岩石圈的均衡状态，均衡才导致尔后的隆起或沉降。对海洋的形成，大规模的水平位移，大面积变质岩如何从深处裸露于外，解释起来将是困难的。

在这学说中，放射性的释热，引起物质的熔离，在重力作用下引起物质分异，形成物质的浮与沉，待热能释放完一切停止，等热积累到一定数值，再次发生浮与沉。“在当岩石圈不均匀的地带，会产生深部物质与能量的垂向变换和运动，但却难以解释大陆漂移、海底扩张和板块运动”[20]。

1.7  地幔分异与对流假说[3]

20世纪60年代末，板块学说的创立者们（Wilson，1970；Lichon等，1973）把板块运动的资料与地幔对流假说相结合，提出了板块学说的一个动力学机制--传送带模式，它们认为岩石圈板块的运动完全取决于深部地幔对流环。板块被冷的、重的、向下运动的地幔所带动，而产生俯冲作用，在热的、向上的地幔影响下，造成洋底板块扩张，上部地幔的水平运动带动了板块的水平运动。1962年，兰康提出深地幔对流说，认为随着地核的增长，地幔对流环将会逐渐增多，从而引起大陆分裂的逐渐加剧和相应的造山运动；后来因多数人怀疑对流环无法穿过地幔中许多相变分成，从而提出岩石圈--软流圈对流、分层对流和热柱等对流模式，传送带模式即为其中一种。尽管目前没有一个大家认可的模式，但普遍认为：消减带是下降流存在的地方，洋脊、热点等是上升流存在的地方，这已为地震层析成像技术和岩石化学等许多成果所证实。图1-5是目前主要针对消减带的地震层析成像剖面，从这些剖面中不难发现，相变分成并未影响俯冲的深度，有的可以清晰表明到达核幔边界。所以对地幔对流的研究，虽因Wilson对热点的解释，传送带模式被否定，但至少没有哪一种动力理论能够解释大规模的构造运动，所以产生了一些新的对流模型。如1998年Trompert和Hansen提出三维自洽板块-地幔对流模型、团块模型、拉瓦灯模型等，这些模型仍未能使人们达成共识与共同认同。地震层析成像技术发现对流具有全地幔尺度[45]；2019年倪四道团队公布了它们的发现，它们发现了地幔混合对流及证据，地幔对流下边界是核幔边界。

     因此，2007年马宗晋院士等对对流作用于构造做了如下的总结：“地幔流动形态十分复杂，绝非‘对流'二字所能概括。虽然地幔对流存在这样那样问题，但是，到目前为止，就全球板块运动而言，它依然是较好的解释机制，还没有其它更好机制来代替它”[21]372。对流定义为：流体内温度不均匀时，伴随流体的宏观运动而产生的热传递现象称为对流[85]114。而在这里的对流是一种受迫对流，但对这一受迫对流，存

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在什么样的运动结构，没有受到重视，参考文献[22、23]从物理理论上讨论了这一结构，应用场论讨论了洋中脊和三联点形成过程；也许搞清楚受迫对流内部结构、性质，可能对纷扰的地球构造和地球动力是一大利好或当务之急！

（1）

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（2）[44]

图1-5  消减带地震成果及态势

然而对地幔对流也存在另外的见解，滕吉文称是一种“猜想”[20]，理由是“在南极发现了来自150km，年龄为3.0Ga的钻石。若真是这样确实令人振奋，但又令人疑惑不解，因为在一个热地幔中尚存在着寿命如此长的大陆根显然是对地幔动力学一个新挑战。”任继舜等[24]通过梳理大洋低的陆块，质疑海底扩张。地幔对流看来存在一些尚未认识到的问题。

1.8  涌流构造假说[3]

1992年，迈耶霍夫等因全球高热流带（＞55mw/m2）相互连通，呈网状分布，其它动力学说有无法解释，而提出涌流构造假说。他们认为，软流圈涌动的驱动机制是地球收缩引起的岩石圈塌陷，当冷却凝固的岩石圈块段到软流圈中时，部分岩浆安重力法则上涌，一直达到岩浆密度与周围岩石密度基本平衡的位置才会稳定下来。这一过程遵循帕斯卡定律，能将所受压力通过岩浆的涌动传递到各个方向。强的岩浆涌动对构造起决定作用。

图1-6

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迈耶霍夫等将岩浆涌动通道，称为涌流通道，它是岩石圈中最基本的构造单元，可以通过近40种物性标志加以鉴定。涌动通道可分为：洋盆、大陆和大陆边缘涌动通道三类。大洋中脊及其主要分支的通道，是洋盆涌流通道中的主干通道，其长度可达几千千米，宽度可以从1000km到大于3000km。这些通道可以为构造运动提供浅层作用机制，它们的存在可以用全球地球热图来证实，如图1-6。如果涌流通道被强烈压缩，它们应该变成裂谷带或褶皱带。

这一假说强调伸展性构造在全球构造变形中的决定性作用，而不认为俯冲带有那么重要[25]310；对为什么会有涌流构造，则没有解释或者说根本没有涉及力源驱动的机制问题。网状的热涌通道深层次原因究竟是什么？要打问号。

1.9  层块构造热涌假说[1]

2000年马宗晋等提出的以地壳、上地幔的层块构造为基础，以地内热流体受构造变动的导引与驱动为主动力并兼顾其它动力作用的地球动力学模型（图1-7）[26]378～382。它以物探资料和岩石高温高压实验资料为依据：①地壳和上地幔存在明显的分层结构，可以分出相对低黏度、低弹性模量的“软流层”和相对“强硬层”；②大陆地壳一般分为上、中、下三层，地震多发地区的中、下地壳内常有低速高导层；③地壳中存在将地壳分成块体的裂谷式通道，这些软流物质的通道将地壳分割成块，并形成塑性的中地壳。要点如下：

层块构造指的是地壳、上地幔的分层分块构造，层既包括尺度较小的被深部和浅部断裂网络或裂谷式通道切割而成块体。所谓热涌，指的是在层块构造的基础上和经受构造变动的过程中，地壳和上地幔中相对的“热”物质或塑性物质沿着层和裂缝通道的涌动式运动。

图1-7  全球地壳--上地幔层块构造热涌示意图

     层块构造热涌说认为，在热涌过程中，被动的涌流物质也表现为一种构造热动力作用；热作用和热涌运动的发源地是软流圈，软流圈中热物质的小对流、平流和涌动受上地幔层块构造变动的导引和驱动，软流圈物质的运动又驱动和控制着岩石圈层块运动；热涌是幕式的，或者软流圈是时空上幕式变化的动态系

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统，这是由软流圈周期性的热聚集和热释放决定的，或者是受其它周期性动力因素的调制。

由上地幔内部强硬层的张开而造成的暂态低压通道，将产生对地幔物质强烈的导引和控制作用，即高围压中的局部瞬态负压腔效应将驱动使幔内软流物质呈被动地涌入，并沟通上、下的软流圈和壳内软层；幔内软流物质涌动流的路径可能是复杂的，但主要是受上地幔内分层结构和强硬层的破裂格局所控制；幔内软流物质幕式化涌动和涌出地表，造成洋底的被动开裂和海底火山喷发；大陆岩石圈更薄的分层结构和更窄的破裂通道，导引幔内软流物质的涌入和喷发，表现为更为复杂的大陆地区火山活动。

在这一动力学理论中，最为突出的是热将陆与海底分成网状的存在，但热能来于何处，为什么如此，没有涉及。

1.10  热点--地幔柱假说[3]

热点是1963年Wilson因研究夏威夷--天皇火山链提出的概念，它是指地幔中相对固定和长期的热物质活动中心，它向活火山提供富集各种微量元素的岩浆。而对夏威夷--天皇火山链的形成解释，否定了传送带动力模式，使板块成了动力不明学说。为解释热点成因，1972年摩根提出地幔柱概念：是指地幔深处，甚至核--幔边界上，产生的圆柱状上升的热物质流，它携带地幔物质和热能直接至地幔上层，并在岩石圈和软流圈分界处四散外流，激起软流圈的水平运动。从而可将地幔柱当做板块的驱动机制。热点就是地幔柱在地表的显示，为局部熔融带向上运动的集中部位，主要特征是具有高热流值，其地形高度取决于地幔柱的深度和发生火山作用的强度。由于炽热的地幔物质向上涌流，导致密度较高的物质盈余，形成正重力异常，因而重力高的地方，也往往是火山分布的地方。摩根还强调，热点大体固定在地幔中，因此板块相对于热点的运动，便是相对于地幔固定部分的运动，也就是相对地理极或地球自转轴的绝对运动。

图1-8  海底谷歌地球截图

随着众多学者关注地幔柱，出了一批由地幔柱解释的地质成果，如裂谷的解释、溢流玄武岩区解释等等。丸山茂德等于1994年有发展出冷地幔柱，同时根据地震资料提出超级地幔柱，并由此提出地幔柱构造说，为板块重新找明动力。但地幔柱除大西洋外，其余远离洋脊，幔枝以什么原理在洋脊处出露，是值得疑问的。

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除了夏威夷外，海底热点星罗棋布，如夏威夷--天皇火山链有规律的很多。图1-8是谷歌地球洋脊顶部的截图，从图上可以看出火山很多，较之夏威夷火山规模较小。图中左侧于转换断层处，图中右侧西南太平洋某处。热点玄武岩各种微量元素高洋脊，这对地幔柱能否推动板块运动，是值得存疑的。

1.11  星际作用假说[3]

星际间的作用力也是一个重要力源，太阳黑子活动和宇宙爆炸等对地球有重大影响；白垩纪末的恐龙突然灭绝的灾变事件也为大家供认；有人认为2亿年左右的板块运动周期与某种宇宙事件吻合；曾有人推测遥感图像中出现的圈层构造，是灾变事件中陨石撞击所致。

近30年来，由陨击作用而诱发地壳构造运动的假说受到愈来愈多的重视，这是一种立足于太阳系大系统或者说是宇宙大系统的动力假说。陨击作用诱发地壳构造运动假说要点是：具有33±3Ma的周期；规模巨大的陨击作用，可造成陨击坑。2018年万天丰、尹延鸿，通过近2亿年7次穿越银道面时，地面受到巨大的陨星撞击，系统论述了陨星撞击引起全球岩石圈板块运动，认为是板块运动的主要动力源[6]63～70。

2014年黄川、傅容珊：分别基于数值结果和地质模型，在假定上地幔存在稳定对流的基础上，用模型模拟了直径10km（陨坑直径180km）和100km（陨坑直径1000km）的小行星撞击对地球的上地幔对流格局影响。直径10km的小行星撞击对地球，对上地幔对流影响十分微弱；100km的小行星撞击对地球，对上地幔对流影响产生强烈影响[27]1534～1542。2019年第二届大陆动力研讨会上，梁光河认为陨石撞击可以较好地解释超大陆裂解的初始动力，但不会持续[28]。

1.12  核能之于地球演化[29]24-35

马学昌探讨重核素的核能对于地球演化的作用，这一探讨要点如下：

[1]根据物理宇宙学和核物理学的研究成果，在约6.6Ga前，有一颗超新星爆发，喷出了一大团炽热的弥漫的星云，其中含有六千余种核素和大量的质子、电子等微小粒子。特别算出了天然铀中235U是238U的1.71倍。星云温度迅速下降，经吸积作用先分裂成若干星云团，每个星云团又又吸积成一个恒星系；太阳系即为其中一员。

[2]太阳系星云团又经吸积分解成主星云和多个次级星云。主星云位于中心，质量大、引力大、聚集了绝大多数的重核素；次级星云按所含重核素的丰度，由内而外依次分布于主星云的外围并绕其旋转，后来发展成行星。行星又分两类：近太阳的称类地行星，含重元素较多，U、Th多；远太阳的称类木行星，含重元素很少，U、Th极微。

[3]主星云经数亿年，质量占太阳系的99%以上太阳形成。重核素裂变，释放热能引起物质熔融，使得重核素向内部迁移汇聚，到临界质量(约数十至数百千克)和临界体积(约数升)，可引起链式核裂变，继而起氢聚变，太阳形成

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类地次级星云中含重核素（仅剩了U、Tu、K等少数几种）比太阳少的多，质量小、密度低吸积慢，经过十多亿年才先后形成行星体，并具备了保持衰变热的能力。放射性元素释放的衰变热，约需数百万年甚至上千万年，熔出天然铀，迁移集中某一深度上。熔出天然铀的时间文中暂定位超新星爆炸后的1.6Ga，则天然铀中235U的浓度为31.5%，集中超过了临界质量(约数百千克)就会引发链式核裂变。因氢少，不会有氢核聚变。直到4.5Ga前，天然铀中的235U因衰变渐减直23%以下，不能再支持铀的链式核裂变。铀的核裂变停止，行星热量因对外太空辐射而大减，熔化的岩石又开始先从地表向内凝固。因此见到的陨石年龄皆在4.4～4.6Ga之间。月球上最老岩石年龄为4.5Ga，地球上已知的最老岩石年龄为4.2Ga。类地行星上的链式核裂变发生后，235U裂变释出的中子被238U吸收，生成239Pu，钚元素本已完全衰变，至此又重新生成。239Pu的核物理性质优于235U，其临界质量为0.51kg，易发生链式核裂变。于是星体上就有了铀和钚共同的裂变热。至4.5Ga铀的链式裂变停止后，钚的链式核裂变仍在进行。生成热少了，星体开始凝固。钚仍在星体内产热，驱使星体发生构造运动和火山活动。

[4]铀、钚生成的热，使得物质迁移，形成具有圈层结构的核、幔、壳三大圈层。三圈层又分别二分。内地核所受压力巨大，物质在高温高压变为特殊固态，核裂变都难以撼动。铀、钚(19.8g/cm3)、钍(11.7g/cm3)向地核内核表面聚集，链式核裂变发生在这里。释放的能量在内外核之间，造成很厚的过渡层。从而成为供给地球演化能量的大本营。外地核是高温的重金属熔液，按密度分成若干层。

[5]4.5Ga前地核中铀停止链式核裂变，经三亿年地球有了地质记录。因地核发生核裂变的发生具有随机性，地球表面变冷存在先后的不同，先凝固的地区物质密度小，地势高；后凝固的地区密度大，地势低。地表在30多亿年前，才冷却到100℃以下。之后才有河流与海洋。

[6]沉入核的U、Tu、Pu蜕变产生的轻物质和热能，主要由轻物质携带，经地幔上升到岩石圈。通道称为Mantler Plume。轻物质(岩浆)上升到岩石圈下积聚又融化了部分岩石圈，混合成为软流层。受下面不断上来热能驱使，在岩石圈下不停地运动。核裂变具有随机性，产生的热能多少不同。积累热能多时，变冲破岩石圈，形成火山爆发；驱动地壳，发生升降、断裂、移动和褶皱，形成构造运动。

1.13  对大地构造形成的看法

   从表1-1的统计，以及1.2到1.12的分析看，关于地球动力学可以分成两个大问题：一、物质迁移的动力的来源，目前已知的有，如放射性释热、位能转化为热能、地球旋转能转化为热能等,近来又将“暗物质、暗能量”[20]和来自太阳“中微子”与地核作用产生热能[30]，列为地球物质运动动力选项。而热能从地球形成之初因星子相互撞击就产生了，热的产生伴随着对外辐射，同时温度在地球内部存在横向上的不均，垂向上由内而外逐步递减。二、物质的迁移方式，如分异（物理分异、化学分异）、对流、水平运动、垂直运动、重力作用等。这些迁移方式与密度关系密切，一般情况下大密度的物质在重力场中向地心运动，小密度的物质向背离地心方向运动，因而重力场中的一切物质，本质上说无非是浮与沉，由浮与沉在场中几乎演化出了地球的一切构造运动。可见场对于地球构造运动是非常重要的。

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而时下地球动力学问题，从板块构造理论角度看，板块理论遗留有三大难题：起源、登陆、动力[16]。这也是其它动力学理论直面的问题，然随着各方面关系的厘定，这些问题又都逐渐集中到，海洋的扩张、海底的俯冲、以及陆的形成。海洋的扩张时下观点是对流，而对流从一开始就备受质疑，驰顺良[34]从①大陆根深达400km的壳根，②南非金刚石中硫化物包裹体的年龄具有大于2.0Ga模式年龄，而金伯利岩侵位时间90Ma，认为地幔中并不存在对流。前面也有“猜想”一说，后面还将提及其它对地幔对流的质疑。这是质疑一方，还有一方赞成地幔对流的存在，在后面的叙述中将陆续提及。

既然场如此重要，那么地球内部的场又是如何来的的？研究证明这与万有引力有关，是万有引力制造了场的形成。处于场中的物质，受到热的作用必产生各种运动，其中就包括浮和沉。而热的运动又将遵守热力学运动的最基本规律，第一、第二定律。可见地球动力学的基本规律来源于：万有引力和热力学定律的共同作用之演化。而这也只能限制于壳、幔之中，因为核部的巨大压力，从对地核物态及其量子地球动力探讨、暗物质、暗能量、中微子等，地球动力可能不会限于上述所说，可现实所揭露的事实可能仅反应出引力与热力作用，所以下面就源于此范围讨论地球演化运动。

而地球是太阳系的成员，太阳系是银河系的成员。太阳系穿越银道面的周期是30～35Ma左右。在地球穿越银道面时，根据万天丰教授的研究，陨击撞击地球，与地球穿越银道面时间相合[6]；还有学者对地质事件与穿越银道面做了研究，研究表明地球各圈层主要地质事件的旋回周期如表1-2和图1-9所示[3]35-36。

对此马宗晋系统性地将地球构造活动韵律性做了详细研究，并划分出了长韵律、中韵律、短韵律和微韵律4个层次,12个韵律级别，详情见表1-3。可见地球动力周期性已不能忽视。根据李四光的分析，地球自转存在周期性；月球对地球引起的周期性固体潮，前述的周期性地质事件与穿越银道面。这些如何影响地球内部热运动，以及地球形态，已是要正视的问题。地球的形态是椭球形，椭球的内部具有圈层。然而圈层是通过何种途径形成，源于何种理化原理，从现在遇到的各种困难，是必须面对了。虽然在上述地球动力理论中，不断涉及对流和分异，但对具体的对流结构是怎样的，均没有看到。对流与地球形态是否有联系也没有涉及。而对流又涉及到热。所以一个涉及热、对流、热网、周期性的动力是要探讨的！

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图1-9  地史上35Ma左右的重要地质事件集中期与穿越银道面时间对比

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以往通过对地球物质构成、地球形成过程[31]、自转以及地外引力对地球形态[32],[22],[33]、热对流结构、分异与热对流的关系[23]的思考，以及地球内部力场的展布认为可以提出涉及热、热结构、热网、具有周期性的地球动力方程[33],[118]。因此下面的讨论将围绕万有引力定律和热学定律讨论地球构造动力问题，并将讨论的思路画成图1-10。在讨论中可能存在这样与那样问题，请提出批评指导性意见及建议，在此首先表示感谢！

图1-10

2  地球的起源及元素构成

2.1  地球的起源

1948年，伽莫夫等在美国《物理评论》杂质上发表了关于大爆炸宇宙宇宙模型的文章：提出宇宙是由其早期温度极高且密度极大、体积极小的物质迅速膨胀形成的，这是一个由热到冷，由密到稀，不断膨胀的过程，犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。这次大爆炸发生在大约150亿年前。宇宙温度约为1000亿摄氏度，其物质的主要成分为轻粒子,如光子、电子或中微子。而后宇宙温度下降，元素形成，恒星诞生，各种星系形成，4.6Ga太阳系也诞生于此时；此时距大爆炸已过去100多亿年。新的物理宇宙学和核物理学的研究成果[29]：在大约6.6Ga前，有一颗超新星爆发，喷出了一大团炽热的弥漫的星云，其中含有六千余种核素和大量的质子、电子等微小粒子。特别算出了天然铀中235U是238U的1.71倍。星云温度迅速下降，经吸积作用先分裂成若干星云团，每个星云团又又吸积成一个恒星系；太阳系即为其中一员。

图2-1  银河系

关于太阳系形成的演化有各种学说：如原始星云说、灾变说、俘获说、新星云说；科学的地球起源与整个太阳系的起源连在一起。太阳系于银河系的位址如图2-1所示。

地球是由较重元素所组成的星子聚集、增生，既通过吸积凝结作用而形成（Urey，1952；Safranov，1972；戴文赛，1979）。太阳由70%左右的H，27%左右的He，以及其它100多种元素组成；显然太阳以氢元素为主，它与太阳系原始星云的成分比较接近[25]27。重核素的分布离太阳越近，含量越多[29]。由于目前还不能从地球深部取样，人们常借助陨石来研究行星内部的成分，地球物理和地球化学资料可提供最重要的资料信息[3]11。

2.2  组成地球的元素及吸积模型

地球的物质组成是根据球粒陨石成分的类比、地球深部地震波传播特征和高温高压实验成果推算的，其化学成分的估算与球粒陨石的化学成分基本相同，已得到学界公认。地球的化学成分与其它类地行星(水星、金星、火星)相似，由34.6%的Fe，29.5%的O，15.2%的Si，12.7%的Mg，2.4%的Ni，2.2%的Ca和Al，

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1.9%的硫以及1.5%的其它一百多种元素组成，重元素含量比太阳多得多。另外绝大多数球粒陨石的形成年代和地球一样，铷-锶同位素法年龄为4.552Ga、锇-铼同位素法年龄为4.61Ga。由此推断，原始地球可能是以球粒陨石成分为主的星子聚集而成的。根据月球演化资料判断，这种陨石大量撞击并使地球的质量与体积不断增大的吸积作用，大约持续了5千万年，以后便按指数方程的特征快速衰减。最近4.0Ga以来，陨石撞击地球的数量骤减，由陨石撞击而造成地球质量的增大只增加了1025g，即大约增加了地球总质量（5.976×1027g)的1/600（阿莱格尔，1989），这就是说，近4.0Ga来，地球的质量和体积没有发生过大幅度的变化，吸积作用早已结束。[3]11

地球的起源模型由均匀和非均匀聚集两种模型，两者的主要差别是聚集的定时性。在均匀模型中，星云物质冷凝完成于聚集开始之前；而在非均匀聚集模型中，星云物质冷凝和聚集则是同时发生的。

均匀聚集模型[3]  行星和月球是从冷的（小于100℃）、均匀混合、氧化的太阳星云中聚积而成，历经五个演化阶段：①聚集能量小，升温度700℃以下，形成冷的、氧化和富挥发物的小核心（地球质量的5%～10%）；②聚集继续进行，地外天体冲击能量增加，表层变热，氧化铁被还原为金属铁，因排气原始大气圈出现；③聚集物质量达到地球质量的20%时，升温可到1200℃，大气圈中氧化铁还原成金属铁，温度再升至1500℃时，挥发元素逸出，铁镍金属聚积为混合物；④聚积能量增加，温度升高至大于1500℃，使硅酸盐相物质的微星中还原和挥发，硅（呈SiO2的形式）和少量MgO部分地挥发而进入原始大气圈；⑤地球浅部开始熔融，铁（同FeO或FeS混合）向地球中心移动，形成地核，这一过程高度放热。

从这一模型的简单叙述看，在地球形成过程中，引力位能使得地球生热，引起化学反应，产生物质迁移，至于如何迁移，为什么迁移以及内部是否发生相变并没有涉及。

非均匀聚积模型[3,35,36,37]  宇宙温度下降，球状太阳星云，在引力作用下形成具有中部温度高，星云物质多，具有温度梯度，且分馏、分带的太阳星云盘。之后分带的太阳星云出现大小不一的星子，且温度伴随星子逐渐降温，再之后是星子吸积。地球便是从降温的星子中吸积而来，它经历了两个阶段。①由直径3000km的巨星子堆积形成相当于现今地球70%～90%大小的原始地球，星子成分以M群、L群为主。所有物质在万有引力作用下发生改变，位能和放射性使得地球升热，继而发生广泛熔融，从而导致物质按密度的不同，沿地球半径方向发生分异和迁移，密度大的铁形成核，其余的硅酸盐：富鎂硅酸盐相对密度大下沉形成幔，余下的形成壳，而具圈层。②由约为400km、较小的星子堆积到地球外层，以C群星子为主，L群星子为辅，它们堆积在冷却中的原始地球表面上之后，也产生了分异、迁移作用。这一模型较好的符合了已发现的地球构造情况。

这一模型与上一模型虽异，但存在的问题基本相同。后一模型虽较好符合了已发现的地球构造情况，这也不可不让人产生这样的疑问，既然发生了分异、迁移，横向的不均难道就不能由此而产生？

新的宇宙演化学说下的模型[29]  大约66亿年前，一颗超新星爆发，喷出了一大团含有六千余种核素和大量质子、电子等微粒的炽热的弥漫的星云。天然铀中235U是238U的1.71倍。星云温度迅速下降，经

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吸积作用先分裂成若干星云团，太阳系即是其中之一。太阳系星云团又经吸积分解成主星云和多个次级星云。主星云位于中心，质量大（占99%）、引力大、聚集了绝大多数的重核素以及氢，经数亿年形成太阳；次级星云按所含重核素的丰度，由内而外依次分布于主星云的外围并绕其旋转，后来发展成行星。行星又分两类：近太阳的称类地行星，含重元素较多，U、Th多；远太阳的称类木行星，含重元素很少，U、Th极微。主星云在吸积形成太阳，一直持续至今。类地星云团经十多亿年吸积后，形成行星，在少数几种核素U、Tu、K的衰变热的作用下，经数百万年甚至上千万年，岩石开始熔化，重核素在分异作用下U析出、内迁。暂定超新星爆炸后16亿年，235U的聚集浓度超过31.5%，集中超过临界质量(约数百千克)，核链式核裂变发生。地球在4.5Ga前，235U的富集引起猛烈链式核裂变，大量核裂变汇集的高温使地球完全熔化，经分异使地球具有圈层结构。内核表层是核裂变的场地，是一外核与内核的过渡层，核裂变在过渡层通过对流，向外核传递能量，外核又通过对流传递能量到地幔，能量在地幔形成地幔羽使地球演化。4.5Ga前链式核裂变停止，地球又经3亿年即4.2Ga产生最早的岩石记录。

这一模型认为重核素通过前期的释热引起物质分异迁移，重核素在核部引起核裂变后，通过对流向幔部传递热量，这能量在地幔形成地幔羽，从而形成圈层化的地球。总之从这些对地球吸积模型中，可以看到分异、迁移、对流，它们是使得地球具有圈层。而迁移无非就是物质的浮与沉，这两者又如何引起其它的运动确实是要探讨的。它可能是揭开时下板块起源、板块登陆，甚至动力提供理论上的支撑。

2.3  陨石类型和化学组成[38]27-34

陨石有三种类型，为人们研究太阳系、陨石、地球的形成过程和相互关系关系，特别是早期演化特征提供了最为有价值和最直接的资料。下面对其做简单的叙述。

铁陨石  占陨石总量的6%[39]，金属含量大于90%，主要由铁镍金属、陨硫铁以及少量的Fe，Ni，Co，Ti，Zr，Cu的硫化物、碳化物、氧化物、磷化物和磷酸盐，以及自然铜、石墨等矿物组成。铁陨石的平均金属含量在98%左右，由铁纹石和镍纹石两种矿物组成，主要是铁镍合金，其中镍含量4%～30%之间。根据微量元素多参数分类方法，可对其划分成13个化学群，11个岩浆型和2个非岩浆型，总称为M群。

铁-石陨石（石-铁陨石）  占陨石总量的2%[39]，金属含量大约50%，由大致等体积的硅酸盐相和铁镍金属相组成。根据两相比例可划分出橄榄陨铁、中陨铁、古英铁镍陨石和古铜橄榄陨铁等四个亚类。铁-石陨石较为少见，但它从矿物组成、结构构造、化学成分和演化历史上都具有石陨石和铁陨石的双重性，因此对他的研究具有特殊意义。

石陨石  占陨石总量的92%，主要由硅酸岩矿物组成。根据是否含球粒陨石分为球粒陨石和无球粒陨石两个亚类。球粒陨石84%，无球粒陨石8%。

   球粒陨石  是各类陨石中最常见的陨石类型，金属含量大约10%，最大特点是含球体，具有球粒构造。球粒一般由橄榄石和斜方辉石组成，球粒间的基质常有镍铁、陨硫铁、斜长石、橄榄石、辉石等组成。根

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据化学组成可划分为5个化学群：E群(玩火辉石球粒陨石)、H群(高铁的橄榄石、古铜辉石、普通球粒陨石)、L群(低铁的橄榄石、紫苏辉石普通球粒陨石)、LL群(低铁、低金属的橄榄石、紫苏辉石普通球粒陨石)和C群(碳质球粒陨石)。E群玩火辉石球粒陨石稀少，不常见；H群、L群及LL群统称为普通球粒陨石，亦称为O群球粒陨石。O群球粒陨石是最常见的一类球粒陨石，主要由橄榄石、斜方辉石、铁镍金属和陨硫铁组成，其中铁和亲铁元素的含量以及金属铁/氧化铁之比依次为：H群＞L群＞LL群。C群碳质球粒陨石按化学成分可分为CⅠ，CⅡ和CⅢ三个类型。主要特征是含有有机碳化合物分子，并且主要由含水硅酸盐组成。

无球粒陨石  金属含量小于或等于5%[39]，无球粒结构，其成分多与火成岩相似。无球粒陨石根据其CaO含量可分为：贫钙型，CaO小于3%；富钙型，CaO大于5%两类。无球粒陨石的硅酸盐相含量98%以上，特别是富钙型无球粒陨石几乎不含金属相，硫化物相含量一般为1%。陨石中共发现140种矿物，其中40种左右在地球上未曾发现过。

陨石化学组成  石陨石和铁陨石主要化学元素的平均组成见表2-1，从表中可知，组成陨石的主要元素是氧、铁、硅、镁四种元素，它们占质量的90%以上；在硅酸盐相中氧、铁、硅、镁之和均也大于90%。可见氧、铁、硅、镁的在地球化学中的分量。

2.4  地球的化学元素组成[38]38-59

地球在演化过程中使其具有有了圈层，各圈层化学组成不同。地核以金属铁为主，而幔、壳化学成分见表1-2。地核位于戈登堡面下,分为外核、过渡层、和内核。外核、过渡层具有流体性质，内核则为固态。根据物理学知物质所受压力超过140万个大气压，为超固相。在核幔交界处压力推测可达140万个大气压，对超固相有物理学家发现：压力超过140万个大气压，物质可以成为无黏性流。一般认为地球是一个具有金属性质的内核，传统认为地核是以铁为主的铁镍合金组成。但纯铁和铁镍合金的密度推算密度大10%以上，所以它应该有一定数量的轻元素。能起这种合金作用的元素有氧、碳、镁、硫和硅。

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从表2-1、2可以看出氧、铁、硅、镁在陨石和地球中，均为主要元素，质量均超过90%，但在地壳中氧、铁、硅、镁总量仅为81.6%，钾、钠、铝、钙含量大幅升高，合计达17.50%；洋壳和陆壳又存在差别，洋壳氧、铁、硅、镁总量79.20%，钾、钠、铝、钙含量17.883%；陆壳氧、铁、硅、镁总量80.40%，钾、钠、铝、钙含量18.20%。这些差别应是演化的结果。

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3  地球形态塑造

前面的叙述中一再提到分异、迁移、对流及浮沉及周期等，形成的原因是什么？它们与球态关系是什么？地球球态的理论探求，有助于这些问题的解答，有助于重力动力学、地球自转动力学和地外作用形成的解答。日本和美国对小行星采样返回有Hayabusa2和OSIRIS-REx两计划，在两计划执行过程中对小行星Ryugu和Bennu进行了拍摄，图3-0即是[46]。从图片中可以看到，两小行星都存在自转，上部小行星Ryugu椭球态稍差，下部小行星Bennu基本为椭球态，它们的组成均可清晰看到是碎屑。

图3-0

3.1  万有引力定律与星球形态塑造

地球是球态、月亮是球态，所有星球都是球态。宇航员在太空中将相当量的液体从储液盒中挤出，如若在地面将摊成薄薄一层，而在太空，开始有不规则，不太长时间后，就变成球态。这是为什么？回答这一个问题离不开万有引力定律。万有引力定律表达式如下：

F=Gm1m2/r2………………（3-1）

G万有引力常数；m1、m2物体质量；r质量为m1、m2之间质心间距离；F引力，引力方向在m1、m2质心连线上

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根据式（3-1），对于任意质量为m质点，质点在距离为r的一点p所产生的引力场强度[40]（或简称引力场，即一单位质点在p点所受引力）为：

………………（3-2）

G万有引力常数，负号表示吸引力。

图3-1

为了说明太空中液体为球态的问题，下面先通过举例予以说明。图3-1为一均匀细长杆，质量为M，长度为2l，细杆在图中P点的水平及垂直方向引力强度及合引力强度方向计算如下。水平方向：

垂直方向：

合引力强度：

水平引力强度与合引力强度夹角：

垂直引力强度与合引力强度夹角：

通过上面计算，可以发现，平行X轴的直线L上，任意点的合引力线强度的方向均指向O；所以以X轴为为旋转轴，以a为半径的圆柱面上，合引力强度方向也均指向O。假如在该柱面上均匀分布相同质点，质点均向O点集中，这些质点集中的结果可以预见将是球形。因此下面讨论球的内、外引力强度分布等。

3.1.2  均质球体的外部引力强度

如图3-2所示，实心均质球外一点p的引力强度可以通过以下步骤导出。设球半径为R且均质，密度为ρ，质量为M，OO1=y，图示球外P点距球心距离为r。圆平面O1垂直y轴，与平行于圆平面O1的另一圆平面相距dy，平行于Z轴的AO1B，O1A=O1B=k，相同质量质点A和B在P点的引力强度分别为dE＇和dE，方向如图示。对称的A、B两点在平行Z轴方向上合引力强度为零，所以半径为k的圆在P点平行平面OXZ的引力强度为零，圆平面O1内，A点或B点对P点平行Y轴引力强度为：

，圆平面O1内半径为k的圆环在P点平行y轴的引力强度

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圆平面O1在P点平行y轴的引力强度

球O在P点平行y轴的引力强度

由于球的对称性，所以球外任意方向一点P，根据Ey又可写为

      （r＞R）………………（3-3）

图3-2  均匀球体外引力强度示意图

高斯定理[41]15是静电场的一基本定理，由于库仑定律和万有引力定律数学表达式相同，如果引力场中也引入通量，此时可称通量为引力通量，以Φ表示，引力场中的高斯定理可表述为：通过一闭合曲面的引力通量等于该曲面所包围的所有物质质量代数和的-4πG倍，即

这一定理可比照静电场证明办法，证明其在引力场中也是正确的，故在此省略其证明，只用其结论。

对于球体为空心同心均质球层，内半径为R1，外半径为R2，密度为ρ，可以通过上述积分方法，或高斯定理，求得球层外一点P的引力强度为

（r＞R2）………………（3-4）

(3-3)、(3-4)两式表明：一均匀球体或均匀球层在其外一点所产生的引力强度等于将其全部质量集中于球心所产生的引力强度。

3.1.3  均质球体内引力强度

对图3-2，球内部任意一点的引力强度，即可积分方法求出，也可根据高斯定理得出。球内任意一点到球心距离为r的引力强度为：

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   （r＜R）………（3-5）

从式（3-3）、（3-4）、（3-5）可以看到，所有引力的方向，均垂直图3-2半径为r的球面且指向球心。对于实心同心多球层，具有不同密度，球层半径从R1、R2、…、Rn，相应密度为ρ1、ρ2、…、ρn，最外层内的引力强度具有如下公式。对于具有一个球层，球层内引力强度：

   …………（3-6）

对于具有多个球层，最外球层内引力强度：

   ……（3-7）

对于球密度具有ρ=ρ（r），密度随r的而变化的情况，球内任意半径r的引力强度具有如下的表达式：

  ……（3-8）

从上面（3-2）～（3-8）式表明：一均匀球体或均匀球层在其外一点所产生的引力场强度等于将其全部质量集中于球心所产生的引力强度。若球体或球层并不均匀，但密度只是r的函数，上面结论仍然正确。

 图3-3

3.1.4  均质球体内部的压力

图3-3均匀球体，密度为ρ，半径为R，球内压力可根据式（3-5）计算，下面叙述这一过程：

如图3-3所示半径为r的球上任取一微元ds，微元的高度为dr，因此体积为dv=dsdr，微体积的质量dm=dvρ，一单位质点为1=dvρ/dm，将其带入（3-5）式，于是有：

上式两边同乘dm于是得：

        ………………（3-9）

（3-9）式右侧是两质点的相互吸引力，所以：

        …………（3-10）

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（3-10）式两边同除以就得微元对球面的压力dP，所以：

       ………………（3-11）

根据力的可加性，对（3-11）式从r到R积分，于是得到：

       …（3-12）

从（3-12）式知，均匀球内部压力随半径变化关系为抛物线关系。

图3-4

在图3-4中，内部球半径为R1，密度为ρ1；R1到R2的为球层，球层的密度为ρ2，球层内任意半径上的压力具有如下的表达式：

            …（3-13）

对于如图3-4式的多球层，从R1到Rn球层，球层密度为ρ2到ρn，半径为R1球内密度为ρ1，最外球层内的压力为：

           ……（3-14）

对于半径为R，密度随半径变化ρ=ρ(r)，球内压力随半径变化规律如下：

             ………………（3-15）

由（3-12）、（3-13）、（3-14）式可推导出多球层任意半径的压力。

3.1.5  均匀球体的引力位

如图3-2，球外任一点P距球心距离为r的引力位V，可由式（3-3）积分得出，根据场论推知为：

        ………………（3-16）

对球体为同心球层，球外任一点P距球心距离为r的引力位V，可由式（3-4）积分得出，根据场论推知为：

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      …（3-17）

半径为R球内部引力位，可由式（2-5）积分得出，根据场论推知为：

         （r＜R）………（3-18）

上述三式表明：一均匀球体或均匀球层在其内外一点所产生的引力位等于将其全部质量集中于球心所产生的引力位。

物体外的引力位，（3-16）、（3-17）式满足拉普拉斯方程：

              ………………（3-19）

对于均匀物体内任意一点引力位，（3-18）式满足泊松方程：

        ……………（3-20）[40]6--8

显然式（3-16）、（3-17）引力场强度为：

   ………………（3-21）

式（3-18）引力场强度为：

        ……（3-22）

3.1.6  引力强度线方程及引力场性质

根据矢量线所满足的微分方程[42]15dx/Ax=dy/Ay=dz/Az，（3-3）到（3-8）引力线方程如下。

引力线方程为：      ……………（3-23）

从方程（3-23）得出，引力线均为经过球心的直线方程，所以所有引力线均垂直于半径为r的球面，而等引力强度面也为同样的球形，所以等引力强度面方程为：

x2+y2+z2=r2………………（3-24）

图3-5  引力位引力线剖面图

方程（3-23）与（3-24）的关系可用图3-5表示。根据上面的分析，球内压力可由（3-12）到（3-15）求出，由（3-12）到（3-15）

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式同样可得出压力线方程为（3-23），等压力面方程为（3-23）；另根据引力位方程（3-16、3-17、3-18)不难得到等引力位面方程也为（3-24）式。

根据上述叙述可总结出单一物质形成的球内具有以下性质：

性质1：引力线为直线、引力线方向与压力方向均指向球心；

性质2：等引力强度面、等压力面、等引力位面均为球形；

性质3：引力线与等引力强度面、等压力面、等引力位面垂直；

性质4：球内部球面上，引力强度值处处相等，压力值处处相等，引力位值处处相等；

性质5：球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等。

对于均匀小密度在外的球层，以上性质也同样存在，即这些性质依然成立。假如太空中液体不为球体成立，那么仅从压力上而言，同一半径的球面上显然这一球面上压力不在相等，反之亦然。这样就回答证明了太空中液体很快收缩为球形的原因，推而广之，星体为球态的原因也源于此。

从这五条性质，再看浮力问题，假如液体球内有一小于液体的密度的物体，位于除球心的球内任意位置，它存在的位置无论压力，还是引力位，还是引力强度，都将发生改变，球内处于一种不平衡状态，向心的一面压力小于周边，因此，大压力处的物质将向小的压力方向运动，从而使得小密度物体向球表面迁移，因而浮力形成。

3.1.7  球内性质对不均匀物质的形态塑造

在叙述这一问题之前，先回顾教科书中压力公式。教科书中压力公式表达为p=-ρgh，其中g为重力加速度，h为高度。重力加速度g地球总力位法方向的导数，当地球不存在自转时等于引力强度。这一点可从式（3-12）中可以看的比较清楚。在式（3-12）中：

-MG/R2是球表面引力强度值，是一常数，当R足够大，r又与R足够接近但不相等，设-MG/R2=g1，上式可写为：

        …（3-25）

由此可见当h与R相比，几乎忽略不计的情况下，对压力可以应用其计算。对于式（3-13）、（3-14）、（3-15）也可推出与（3-25）相同的表达式，只不过g1更复杂。有了这些，可以对太空中液体收缩为球进行再分析。

图3-6 球体剖面示意图

      如图3-6所示，半径为R的球，密度为ρ，球外有一图示的凸起，密度也为ρ，凸起对球形成的引力

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场认为无影响,因此可根据式（3-25）可以计算弧BC上任一点的压力，而弧BC以外部分压力为零。根据压力的面积特性，凸起部分如为液体，液体将沿B、C两处切线外延，直至凸起不再。由此可见当物体不为球形时，物体内部力场，引力线，压力面，引力位面均不具有（3-23）、（3-24）的性质，压力的面积特性调整使其达到符合该两性质。从而使其稳定平衡。而对于多密度同时存在的物质，下面对不同密度间平衡问题进行讨论。

如图3-7所示，红色部分为旋转球台，密度为ρ2，在（a）中半径为R3的球密度为ρ1,ρ2＜ρ1。假设旋转球台对球半径为R3形成的引力场无影响,如果旋转球台与球半径为R3的球间实现力平衡，在球半径为R3的引力场中，旋转球台形成的压力为ρ2g1乘以球台的高度h1。这一压力值显然可以在球半径为R3的内部可以找到，如图示，这一压力值位于半径为R1的球面上。由于ρ2＜ρ1，旋转球台显然高出半径为R3的球面。于是有ρ2g1h1=ρ1g1（R2-R1)。这其实是讨论物体浮力问题。

图3-7 剖面图

对图3-7（b），红色部分为旋转球台密度为ρ2，球半径为R3的球密度为ρ1，ρ2＞ρ1。假设旋转球台对球半径为R3形成的引力场无影响,显然旋转球台在引力场中，对密度为ρ1的压力为ρ2g1乘以旋转球台的高度h1。这一压力值显然可以在球半径为R3的内部可以找到，如图示，这一压力值位于半径为R1的球面上。由于ρ2＞ρ1，旋转球台上将有一图示的缺口存在。如果这一缺口不存在旋转球台，根据压力的可加性，旋转球台在球内找不到平衡位置，球台将向球心运移。于是有，在图示的情况下：ρ2g1h1=ρ1g1（R3-R1)。这里其实讨论物体的下沉问题。

对图3-7（c），红色部分为旋转球台密度为ρ2，球半径为R1的球密度为ρ1，ρ2＜ρ1；从R1到R3的球层密度为ρ3，ρ3＜ρ2。假设旋转球台对引力场无影响，图示的旋转球台要实现平衡，根据对图3-7（a）、（b）的分析，显然旋转球台只能有一部分位于ρ1中，一部分位于ρ3中，如图示。

      但是，对于上面三种情况的讨论，只是在理想状态下存在，即便存在平衡，也是一种忽视旋转球台对球内引力场中的影响，认为引力强度线方程仍为（3-23）。而事实上因旋转球台的影响，球内引力强度方程将更复杂，等强度面、等位能面、等压力面，都将改变，不再为球形，引力强度线不再为直线，因此这种平衡具有暂稳态的特性。时下在各种文献中常说的重力平衡，无论普拉特的表述，还是艾利的表述，在

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此认为都隐含着这一暂稳态特性，因此地球特别是表面上的一切所谓重力平衡，都是一种暂稳态平衡。但当所有的物质具有可塑性时，上述三情况将发生变化。下面对此通过图3-7逐一讨论，图3-8为图3-7旋转球台的放大。

在图3-8（a1）中，图示的A、B两点，依据式（3-25）旋转球台内部压力并不与球同步，半径为R3的球面压力为零，同半径的旋转球台内压力大于零。旋转球台内部必沿图示的方向收缩和扩展。在图示的A、B两点，凸出并沿球面外延。在外延过程中，依据式（3-25）建立平衡关系，其变化如图3-8（a2）、（a3）、（a4）所示，当内聚力与外延力相等时，停止外延。但当球台物质足够多时，根据式（3-23）、（3-24），可形成密度为ρ1＞ρ2实心球层，如图3-4所示。

图3-8

在图3-8（b1）中，图示的A、B两点，旋转球台顶部压力为零，而在A点左侧，B点右侧依据式（3-25）压力不等于零，密度ρ1的物质将沿A、B两点向球台顶部汇聚，同时旋转球台内部物质也将沿图示的方向改变形态，同时下沉，如图3-8（b2）所示，同时密度为ρ1的物质将沿图示的方向上涌。密度为ρ1的物质，原缺口处变为图示的形态，在引力的作用下调整为球形，而原球台在图3-8（b2）形态下，在内外力的作用下继续如图示的进行调整，从而形成图3-8（b3）下部基本为球态，上带尖形态；继续下沉，下沉至图3-8（b4）位置，尽管到了此处，根据前面的力线与等压力的关系，只有密度为ρ2的物质收缩为球后，且形成实心球层方能稳定；即形成同心球层。

    在图3-8（c1）中，旋转球台尽管平衡稳定，但图示的A点左侧压力，根据依据式（3-25）显然小于点A右侧压力，对于B点右侧压力小于左侧压力，旋转球台物质将沿A、B两点外凸，其内部物质将沿图

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示的运移，外部物质将沿物质运移。其变化如图3-8（c2）（c3）、（c4）所示，当内聚力与外部力平衡后如图3-8（c4）最大球台。但当球台物质足够多时，根据式（3-23）、（3-24），最后形成居于密度ρ1、ρ3间的球层。

上面的分析，其实是对物体做了浮沉的分析。这样的分析对星球为球形，且具有圈层可以更好理解。可以得出：上述的一切平衡，具有暂稳态性，唯物质由内而外，物质密度的分布由大到小，且形成圈(球)层，遵守引力强度直线方程式（3-23）和球面方程（3-24）；一旦物质的展布破坏两方程的成立，引力强度将进行调整使之符合两方程，所以引力强度是一种规范物质展布的动力。这一性质是前述性质的推论，可以归纳为如下表述。

性质6：所有物质，由球心向外，按密度从大到小圈层展布。

这六个性质可以说是重力动力学说最好的注脚，是重力动力学理论根据。

3.1.8  球内性质对重力地质现象的解释

前面提到：地球特别是表面上的一切所谓重力平衡，都是一种暂稳态平衡，这些平衡在适当的条件下，表现为：泥石流、滑塌、诱发地震等。下面用具体事例说明球内性质的作用。

3.1.8.1  对盐丘上浮的解释

图3-8-1盐丘形成的动力过程及展布[47]

     图3-8-1是盐丘形成的物理过程及展布，盐层沉积于比其密度高的地层之上，盐层之上又沉积比盐层密度大的地层，根据性质6，显然这种地层组合并不稳定，盐层将向上凸起伸展，上覆地层将下凹伸展，从而盐丘形成；当盐丘突出上覆盖层，可形成图中右侧的盐丘平面展布，如果时间足够长盐层完全可以平行覆盖于原上覆地层之上。因此可以说盐丘形成是重力作为动力的一个很好的范例。而在谷神星上的的冰火山更能证明重力的作用[78]，在图3-8-1（a）中可看到冰突出谷神星表层，并在谷神星的引力场作用下向周边拓展。这两例应当说是明显的重力动力作用。另外还有大别-苏鲁超高压变质岩主要岩石为榴辉岩、斜长岩、片麻岩和面理化花岗岩[119]；西南天山高压--超高压变质岩，主要由绿片岩相、蓝偏岩相、榴辉岩相和少量大理石岩岩块及蛇纹石化超基性岩块组成[120]。学界共识是：它们是俯冲到深部后又折返的产物，从它们的组成看，它们俯冲到100多公里后，当形成俯冲的力不在后，总体密度小于围岩，根据球内性质和前面分析，折返仅是时间问题。

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图3-8-1（a） 阿胡纳火山——谷神星上的“孤独之山”，垂向高度放大了2倍（来源：NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA）

3.1.8.2  对陨石撞击作用的解释

陨石撞击地球，使得地球满足球内性质的地区，不再平衡，出现了类图3-6的物质质量富集，高速的撞击动能转化为热能，使得该处热力受到扰乱。万天丰(2019年)根据从三叠纪末期，到早、中更新世交，存在周期为3300万年，七次较大陨击事件，认为板块运动与陨击有关。陨击留有各种地质记录[6]63-69，如溢流玄武岩，放射状岩墙群等；发生这些现象的原因是该处不再满足性质1到6，只有通过对外释放物质（溢流玄武岩），向周边扩张重新建立满足前述性质的平衡。对于能否可持续的造成板块运移，根据黄川等[27]的模型研究，小于10km的陨星对上地幔影响微弱，而热扰动时间可达2-3Ma，当陨星直径达到100km对上地幔对流造成强烈的影响。大西洋扩张已持续了2亿年，与大西洋有关联陨击，一次三叠纪末（2亿年前），一次中侏罗世（1.77亿年）[6]63-69，它们仅与非洲大陆有关，至于大西洋北部两岸并无陨击记录，但也发生了扩张。对于大西洋的形成李正祥等[45]、[52]研究认为与非洲超级地幔柱有关，因此陨击造成大陆漂移是值得商榷的；而出现溢流玄武岩，放射状岩墙群是必然的。

3.1.8.3  对青藏高原隆起的球内性质解释

❶以往成果略说

图3-8-2是特提斯的古地理重建，从图中可以看出：从石炭纪到白垩纪-第三纪，存在过“金沙江洋、甘孜-理塘洋、澜沧洋、雅江洋”和“昌都-思茅陆块、拉节陆块、保山陆块、喜马拉雅陆块、中咱陆块”。在这期间大洋有增有减，但总的趋势各洋在收缩。这种收缩主要是因印度陆块北向运移所致[50]181-184；青藏地带在新生代，古陆壳急剧增厚、强烈隆升[51],其公认的主要隆升时间是20Ma后[48]。在其周边的北部是塔里木盆地，东北部是阿拉善和华北以及柴达木盆地，东部是四川盆地，它们中最晚在新太古代形成陆核，

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古元古代形成始板块，是古老的地质体[3]225-231。印度地体的不断水平北移，在上述古老地体作为砥柱的围限下[48]，演化出如图3-8-3所示高原构造格局。在图1-5（1）（C）中的剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和图1-5（2）中的剖面IND，可知印度地体沿北北东向，向欧亚地体下俯冲。

图3-8-2  根据古地磁资料和古地理重建恢复的特提斯构造演化略图[49]

图3-8-3  青藏高原构造略图[48]

     基于印度地体的北移，目前收集到如下的青藏高原隆升模式：①马润勇等（2005）研究认为，这种俯冲使得原青藏地区南北通过递进式的不断波状缩短，从而形成青藏地区隆升[53]。②潘裕生[54]根据对圆柱体两端加压，圆柱变短，中部外鼓，提出青藏高原隆升具有叠加压扁模式；认为青藏高原在南北夹击下，岩石圈南北压扁缩短、垂向上拉伸增厚，东西上走滑流展，从而造成青藏地区隆升。③杨光忠[55]认为对流（碰撞）引起的垂直隆升有限，因为俯冲带并非完全挤压作用，大洋壳俯冲的重力拖拽作用可构成引张机制，大陆及其山根的重力均衡作用，才是造成大陆壳隆升的根本原因；即主要通过岩石圈的俯冲作用，产生了

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大量小密度岩浆，在大陆地壳中下部的侵位增生增厚，形成山根，并形成足够吃水深度而在重力均衡的浮力作用下隆升，从而具有“上老下新”的年龄特征。

     李德威等[48、43、56、57]对青藏高原的隆起研究后认为：青藏高原构造隆升是在青藏特提斯经过开合演化形成镶嵌的欧亚大陆后，由下地壳层流作用引起盆山作用和圈层耦合，形成了现今的青藏构造格局。青藏高原岩石圈具有不均一性和分层明显的特征。剥露的下地壳深变质岩和地球物理资料一致表明，下地壳受热软化而发生韧性和塑性流变。不断隆升的青藏高原，隆升的同时又不断地受到强烈剥蚀，剥蚀物运移到周边盆地形成沉积。接受沉积的西瓦力克、塔里木、四川盆地的莫霍面相对上凸，使得上部地壳不断相对减薄，同时下部地壳也存在高温流变物质从周边盆地向青藏横向顺层迁移，随着周边物质向青藏下部汇聚，从而导致青藏地带隆升。盆地下地壳持续的层流运动带动盆地上部刚性中上地壳向青藏地带多向俯冲和侧向楔入，在平面上通过共轭走滑断层进行调整，在剖面上青藏高原地壳下部挤压收缩、上部侧向扩展，腹部伸展滑脱和拉伸断陷，周边逆冲推覆和重力滑覆，在盆山过渡带形成叠瓦状逆冲推覆构造。对于层流边千韬[58]1994年也有类似的论述。当然关于青藏高原隆起的机制学说很多，在此不在一一列举。

图3-8-4  垂直龙门山穿过彭灌杂岩的重力模拟剖面[59]

❷高原形成的物质基础

陆壳与洋壳的的最大区别在于陆壳的顶部是以硅铝硅酸盐为主的硅铝层，其下是与洋壳几乎无性质差别的硅镁酸盐，硅铝硅酸盐密度小于硅镁酸盐，这种组合符合性质6，也就造就了陆与洋的高差。古大陆和现代大陆的下地壳的组成是以原岩为TTG岩类的麻粒岩，上地壳以花岗岩为主和少量沉积岩及基性岩等的组成。上述所叙组合对印度地体和青藏地体同样存在。这就为青藏地区形成双地壳构造提供了物质基础，有了这一物质基础，基于前叙的研究成果，下面就依据前述性质谈一谈青藏地区的隆升。

❸青藏周边与内部特征

在青藏高原的北缘和南缘有以下特征：龙门山位于四川盆地的西北部，青藏

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高原的东缘，薛振华[59]等（2018年）通过两条北西-南东向两条测线，得到图3-8-4剖面成果。在成果图上可以看到龙门山东缘存在南东向仰冲，仰冲带动盆地边缘地层上翘。这些剖面反应了在高原内部存在向外的力，也反映了四川盆地对青藏高原外展的阻挡。李鑫等[60]研究峨眉山古地幔认为：古地幔柱对青藏高原南向深部弱物质流有阻挡作用。同样在青藏高原北缘也存在与龙门山类示仰冲[62]情况。

图3-8-5[53]

                    图3-8-6                                  图3-8-7青藏高原山系展布示意图

    隆升青藏高原有如下特征[53]：①如图3-8-5所示，在高原区现代垂直变形速率具有如下特点，异常等值线在平面上呈北西西走向的条带状，并与高原山链主体走向近于平行，沿变形梯度带又往往对应的是活动断裂带；下图所示，剖面上垂直变形速率自南而北波浪状衰减。②观测结果（2002年）表明，如图3-8-6所示，沿北东20°方向，由南向北，地壳的水平运移速率逐渐降低，这种特征对所有隆起的高原无论过往，都成立。③如图3-8-7所示，区内山链从南到北近于同步弯曲近于平行排列，山系由南到北，海拔高度总体上呈逐步降低、山系间距离呈逐步变宽趋势。④高原内各山系构造剖面除了喜马拉雅山脉、龙门山山脉

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为单冲式不对称结构外，其余山脉均表现为褶皱、对冲隆起山脉。⑤从高原南北两个磨拉石剖面的对比结果看，高原内部各地地体间在同一隆升阶段的开始时代，南部早于北部1.0-1.4Ma。⑥高原岩石圈在平面上具有整体性、垂向上具有分层性的特点，上部岩层沿这些拆离层发生运动、位移，形成褶皱。

❹青藏隆升机制基于球内性质的讨论

根据上面的叙述，不难得出印度地块的北上是青藏地块隆升的主要水平动力源（这一水平动力后面还将叙及）。从图3-8-2不难得到青藏地带特提斯内，曾经的各陆块随着曾经的各洋消失（各洋以何种方式消失，不做涉及），而形成统一的青藏陆块，且并入欧亚大陆，形成欧亚大陆的一部分。此时的青藏陆块可以假定是正常地壳厚度地体，如图3-8-8A所示。在图3-8-8A中，根据性质6和图3-7（a），硅铝质岩与铁镁质岩存在图示的平衡关系，图中等压面用绿线③表示了这一平衡关系；在麻粒岩和铁镁质岩同等压力面的关系如图中①、②所示。由于印度地块硅铝质下的铁镁质岩，始终向青藏铁镁质岩下俯冲，当由图3-6-8A，因下部俯冲，印度地块向左运移，印度地块硅铝质岩也出现向青藏硅铝岩俯冲，造成的结果如图3-8-8B所示。

图3-8-8青藏隆起原理态势剖面示意图

   在图3-8-8B可以看到由于印度地块的左移与其相邻的青藏地块上地壳上凸、下凹，下地壳下凹，图示的等压力面除④外，其余三个等压力面均上凸；在这一变形过程中，一部分运动能，将转变为热能，使之相应点温度升高，即图中abcgfe所围范围温度升高，因此此范围的粘度降低；因为abcgfe范围温度高于左右，所以热能将通过辐射向外传，进而引起两侧的硅铝岩粘度降低；等压力面的改变，使得性质1-5不在成立，或不在遵守方程3-23和3-24，处于不平衡状态，要达到平衡，abcgfe的物质就要向外运动，由于力来自左侧，物质只能向右运动，在性质1-6的规范下（具体运动可参考图3-8），硅铝岩和铁镁质岩缓慢向右运动。向右运动的结果，使得硅铝岩形成图3-8-8C的态势，这一态势有如下的特征：一是向上下拓展，二是纵向上缩短，三是左高右低，四是等压力面变得和缓，使得青藏地体总体上隆升；铁镁质岩俯冲，青藏地体下铁镁质岩总体下降，且有一大部分物质，根据地震成果图1-5（1）（C)Ⅰ-Ⅲ和图1-5（2）IND，随俯冲向左运移。

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下面再简单说一下青藏地体在横向上的情况，硅铝质岩除纵向运移，在横向上同样也要遵守前述的六条性质，横向拓展，当然铁镁质岩也存在横展[63]。上部TTG岩的刚性，在这种横向伸展下，引起上部刚性地壳纵向开裂。

前面提到的青藏隆升动力学模式都客观反应了青藏隆升的现实状况，也正是上述分析内容中的一部分，但不论哪一种模式均脱离不了前述的球内六条性质所限，因此无论层流、渠流、走滑流展、重力均衡等，在此认为它们是上述性质的不同角度认识一个结果。关于青藏地带的热，许志琴等[51]（1996）认为在青藏腹地存在来自核幔边界的热涌，文献[63]根据地震资料，推断也存在有热运动。

随着青藏地带的进一步工作，如三维建模[64]、周边地区的研究深入[59、60、65、66]等，根据此处的分析：在此认为无论从哪个角度分析青藏地带的隆起，不应避开球内的六条性质，即便热加入到青藏地带隆起的研究中，六条性质也将随影约束者它的运动。这仅是一种基于球内性质的分析，如有错误请老师们批评！

3.1.8.4  地应力状态及成因解释等

性质5：球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等。不同地区对水平主应力和垂直应力的统计情况是，一般情况下水平主应力大于垂直应力，但也有例外。下面以图的方式阐明这些情况。在阐明问题前，先约定一些符号的含义：σmax--水平最大主应力，σmin--水平最小主应力，σv--垂直主应力；水平最大主应力侧压系数k1=σmax/σv，水平最小主应力侧压系数k2=σmin/σv，平均侧压系数k=（k1+k2）/2。

图3-8-9[67]

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图3-8-10[67]

图3-8-11{(a、b)[67]，(c)[68]}

上面的资料来源于李方全等[67]（1998年）和李新平等[68]，从这些散点统计图看，散点图存在如下的特点：①越靠近地表，侧压系数越离散，随着深度的增加离散系数向1靠拢，离散程度越来越小；②地区不同，侧压系数亦异；③侧压系数围绕数值1左右波动，越深越接近1。

散点围绕1波动，越向深部越接近1，恰好证明性质5的正确，也间接证明其它性质的存在。根据性质5，测压系数大于1，反应着所在地体受到来自某一方向或多方向挤压；侧压系数小于1，反映地体受到引张；无论侧压系数是大于1，还是小于1，还反应着内部物质并未达到性质5、6的要求。从图3-8-11（a、b）散点图，可以看到古老的加拿大地盾，目前仍受到外部力的挤压，虽经漫长的地质历程，内部仍存在未实现圈层化。越往深部侧压系数越来越接近1，是因为温度越来高，岩石上的粘度越来越小，受力后满足性质5的时间短，而上部，因粘性大、刚性强，在浅部不但难以在满足性质5，还会产生其它构造现象，促使局部整体上满足性质5。下面通过他人的成果简单说明这一问题。

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关于地应力形成谢富仁等[69]分析认为，地应力可能主要产生于洋脊扩张和板块汇聚；且对全球应力场做了全面系统性的分析，取得了如下认识：

（1）全球存在大尺度统一的构造应力场，板块内部存在一级和二级应力场；一级应力场是与板块运动有联系的应力场，二级应力场是由局部原因，如岩石圈横向密度差异、局部热活动等引起的地区性的应力场。（2）大多数板块中部地区表现为挤压作用的特征，它们的应力结构多为逆断层、走滑型或逆走滑型。（3）大陆板块内部的扩张区（正断裂或正走滑断裂）大多位于异常高海拔地区，如美国西部盆地山脉、东非裂谷、贝加尔湖裂谷、青藏高原和安第斯山脉。（4）全球大部分地区的地壳上部经受着方向较为一致的应力作用，如北美中、东部地区处于北东东挤压构造应力之下；欧洲西部地区处于北西到北北西挤压构造应力之下。（5）全球大部分地区的最大水平主应力方向与板块运动（角速度）迹线保持较好的一致性，反映出构造应力与板块运动的密切联系。

从谢富仁等对应力场的解读结合地球内部的性质和散点统计图，也不难可做如下的解读：由于海底的引张及陆内引张，使得陆块处于挤压状态，陆块受到挤压，也就是受力。而受力的陆块体发生变形运动时对于单位质量的质点，将产生加速度Ej，其方向与挤压力相同。对于具体的地体内的一点，其强度变为为Ej与引力强度Er的合力强度，这一强度的方向不再指向球心，而是与该点与球心的连线存在一个夹角。这样以来就改变了等压力面、等位面，改变了强度方程等，等位面与强度方程不再垂直，进而地体不再稳定。要想地体稳定，就必须满足性质1-6。然而在恢复满足性质1-6的具体过程中，在刚性的岩石内具体表现为地应力作用，地应力是人们最早最为直观岩石受力发现。李四光是最早将力引入到地质学的研究当中，系统的提出开创了地质力学，为我国地质事业的发展做出了不朽贡献。地质力学内容浩大，仅以对乐光禹[70-73]（1986-1992）关于应力叠加系列文章内容简单介绍，来诠释性质1-6的在地质上的作用。下面以图3-8-12简单介绍这一研究。

图3-8-12

图3-8-12（1）α是由两个不同水平最大或最小主应力夹角，θ是二应力叠加后最大合主应力与其中一最大主应力的夹角，K是两主应力的最大偏应力与最小偏应力比值。三者见得关系为：tg2θ=sin2α/（K+cos2α）。

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当K值一定时，随最大或最小主应力夹角的改变，二应力作用行迹不断改变，形成图示得各形态。在野外存在各种构造行迹，选取其一，如图3-8-12（2）所示，图中的构造行迹可在图3-8-12（2）找到相似的。

从上面对四种地质现象的叙述，可以看到重力动力学和地质力学的身影，可以说这两大理论在此认为它们均源于或部分的源于球内性质1-6条。所以对地球动力学的研究，不研究球内性质，对已积累一定资料地球动力资料来说，只能公有公的道理，婆有婆的说辞。哲学上有矛盾主次之说，从上面的分析看，时下的对地球动力学研究而言，主要矛盾是对地球内部性质认识不到位，认识的不够深刻。

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3.2  球体绕轴旋转与在力场中的形态

3.2.1  球体绕轴旋转与地球形态

牛顿和惠更斯指出：由于地球自转离心力，地球是旋转椭球体。下面应用引力强度和离心力强度推导出这一事实。

如图3-9所示，球均质刚性，半径为R，密度为ρ，旋转角速度为ω。A为球内任意一点，距球心距离为r，该点的引力强度为式（3-5），A点处单位质点离心力为：

   …（3-26）

    单位质点离心力，也可以看做是离心力强度，这样一来与引力强度就统一起来了，进而可以将它们投影到图示的坐标轴上：

   …（3-27）

  …（3-28）

     ………（3-29）

  所以引力强度、离心力强度之合力强度为：

      …………（3-30）

椭球为（a＞b）的极坐标方程为：

    …………………（3-31）

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图3-9 旋转球体

对比（3-30）、（3-31）两式可以发现合力强度方程（3-30）也为椭球方程。图2-9内质点将依合力强度方程（2-30）运移，运移的结果，如果球不是刚性，图3-9正球形变为椭球形，因此地球为椭球形也就好理解。根据方程（3-27）、（3-28）、（3-29）也可求出类似（3-23）强度线方程，以及由（3-30）求出等强度面、等压力面和等位面方程。强度线方程为曲线，等强度面、等压力面和等位面方程为椭球面，而这些方程只不过比（3-23、3-24）少复杂，与要解决的问题并非重要，故不再求出，下面也如此。椭球面上强度值、压力值、位能值处处相等，强度线垂直椭球面。前述的性质1-6仍然成立，只不过正球面换成了椭球面，力线由直线换成了曲线。

为了使方程（3-30）更具有一般性和普遍性，将具有密度随半径变化，即ρ=ρ(r)的球内强度换成式（3-8），于是就有了如下强度公式：

       …（3-32）

下面对地球赤道的引力强度和离心力强度进行对比，引力强度和离心力强度之比为Er/Eω=4πGρr/3/(ω2rsinβ），当β=90o，Er/Eω=4πGρ/3/ω2。对于地球而言，可用该式进行粗估。地球平均密度5500kg/m3,角速度为2π/(24×3600)弧度/s,所以Er/Eω≈292。但地球密度由内而外有大变小，Er/Eω也有大变小。尽管引力强度远大于离心力强度，如此小的离心力强度确造成地球长轴为6378.137km，短轴6356.752km，两者相差11.385km。

研究表明，地球自转存在长期的减速和较长尺度的长周期变化[74]，因此角速度是时间的周期性递减函数，所以地球内的合力强度也是时间的周期性函数。所以等（压力、位能、强度）椭球面，也将周期性改变，这就为离极力，柯氏力形成地质作用提供了基础，因此地球自转与地质构造有着千丝万缕联系。经向纬向构造带的形成，于这种周期性变化脱不了关系，但是否能引起大陆漂移，能否引起大陆分裂聚合，将在后面讨论。

3.2.2  恒定平行力场对旋转球体的影响

月球是离地球最近的地外星体，月球质量为7.349×1022kg，距地球约384403km，月球在地球处的引力强度约为-3.31727×10-5（N），如此小的引力强度引起潮涨潮落，还会形成固体潮。下面通过均匀引力场中旋转球体讨论这一问题，如图3-10所示。

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     图3-10中均匀引力场强度E=E(y)是一与Y轴有关的单值函数，力线平行于Y轴，且随y的变化而变化，均匀球内A点在三轴中的引力强度如下：

       …（3-33）

      …（3-34）

        ………………………（3-35）

（3-33）、（3-34）、（3-35）合引力强度为：

   ……（3-36）

图3-10均匀力场中旋转球体

椭球为（a≠b≠c）的极坐标方程为：

     ……（3-37）

对比（3-36）、（3-37）两式，（3-36）也为椭球方程。有了方程（3-36）对固体潮和引力潮也就好理解了。在（3-36）中角速度稳定，正球形成为稳定的椭球，而当E=E(y)周期性变化时，合力强度也将周期性变化；内部等（压力、位能、强度）椭球面，也将周期性改变。月球离地球约38万公里，月球在地球处产生的引力强度两引力线与地球相切的最大夹角不足2o，可以认为是图3-10示的均匀引力场。由于月球周期性绕地球转动，使得地球内部合引力强度产生变化，对固体地球而言产生固体潮，对液体而言产生引力潮。

     同样为了使方程（3-36）更具有一般性和普遍性，将具有密度随半径变化，即ρ=ρ(r)的球内强度换成式（3-8），于是就有了如下强度公式：

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    …（3-38）

3.2.3  外力场中旋转球内部强度方程

上面分析了恒定外力场对旋转球体的影响，该稳定外力场的方向与Y轴平行。但事实是月球围绕地球转，行星围绕太阳转，太阳系在银河系一个悬臂上绕银心旋转的同时，还在银道面上下运动。它们在地球的位置形成一个具有各种周期合引力场，因此可以定义一个随时间变化的位于球内部外部合引力场强度之和函数：

      ……（3-39）

式中：t时间，r位于球内距球心距离，σ与Z轴夹角，τ在XY平面内与X轴夹角

根据月球对地球的引力强度线与地球相切的最大夹角不超过两度，其它星体对地球引力强度线与地球相切的夹角将更小，所形成的合引力强度线间角度将更小，所以可认为外力场场强线近于平行，同时具有周期性强度变化和方向变化的特征。下面仍以均匀旋转球体计算图3-11中A点，在这种场中的引力强度。分引力强度如下：

图3-11  周期性变化力场中旋转球体

 …（3-40）

   …（3-41）

 ………………（3-42）

合强度为：

 …（3-43）

     从方程（3-43）可以看出球内合力强度是一多值函数，由于Ew存在各种周期变化，所以E合也存在相

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    同的周期变化。根据方程（3-43）可知这也是一椭球方程，其等压力面，等位能面，等合力强度面也为椭球面。同样为了使方程（3-43）更具有一般性和普遍性，将具有密度随半径变化，即ρ=ρ(r)的球内强度换成式（3-8），于是就有了如下强度公式：

    （3-44）

3.3  一般情况下处于外力场中旋转球体的球内性质总结

根据（3-40）到（3-43）可以求出合力强度线方程，合力强度线为曲线方程；也可以求出球内任意一点压力、位能；以及等压力面、等位能面、等强度面方程。前面已述具体的方程与要分析的问题意义不大，只要前述性质1-6中，引力强度换成合力强度，直线换成曲线，正球形换成椭球形，六条性质仍然成立。为方便应用，表述如下：

性质1：合力强度线为曲线、合力强度线切线方向与压力方向相同，所有合力强度线止于球心；

性质2：等合力强度面、等压力面、等合力位面均为椭球形；

性质3：合力强度线与等合力强度面、等压力面、等合力位面垂直；

性质4：球内部椭球面上，合力强度值处处相等，压力值处处相等，合力位值处处相等；

性质5：球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等；

性质6：所有物质，由球心向外，按密度从大到小圈层展布。

由于存在各种周期，除具有上述性质外，还具有性质7：球内所有质点具有动态平衡和周期性变化的特点。

同时还需说明的是：在具有圈层的球内，单位体积的质量不同，旋转球体内的圈层，因单位体积的质量所受的力并不相同，从而导致各圈层间出现摩擦，近而造成圈层间的旋转差异[105]。

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3.4  主要星体对地球的影响

3.4.1  对固体潮引力潮的解释

为了进一步说明地外引力对地球的影响及方程(3-44)的理论上的意义，下面将月球及太阳和银河系在地球处的引力强度计算于下：月球质量7.349×1022kg，月球绕地球的轨道为椭圆形，绕地平均公转周期27.32天;平均月地距离384403km，近地点363300km，远地点405493km，其所对应的在地球位置引力强度分别为E平=3.32×10-5N，E近=3.71×10-5m/s2，E远=2.98117×10-5m/s2。

图3-12左侧为太阳系全景图，右侧为银河系全景图。太阳质量1.9891×1030kg；地球绕太阳周期365.256天；平均日地距离1.50×108km，近日点距离1.471×108km，远日点距离1.52×108km，其所对应的在地球位置引力强度分别为E平=5.93×10-3m/s2，E近=6.13×10-3m/s2，E远=5.73×10-3m/s2。

太阳系从图2-1和3-12中知道，它位于银河系银盘的猎户臂上，旋臂公转周期220～360Ma；银球直径2万光年，厚度1万光年；银盘厚度2000光年，银河系直径10万光年。银河系总质量4.1771×1041kg（目前有的认为银河系质量为5.9673×1042kg），九成质量位于银盘上。太阳系距银心2.6万光年。太阳系绕银河系一周约2.5亿年，八次穿越银道面，周期约35Ma。根据图1-1和3-12，很难推出从太阳到银河系中心所有物质形成的引力强度在太阳处合引力强度公式，但可根据“一均匀球体或均匀球层在其外一点所产生的引力强度等于将其全部质量集中于球心所产生的引力强度”和高斯定理粗估其强度。根据高斯定理，2.6万光年以外的物质对太阳系的引力强度为零。2.6万光年以内物质保守估计不应少于银河系总质量的四分之一，即约1041kg（1042kg）。因此可粗估引力强度为E银=1.1×10-4m/s2（或1.1×10-3m/s2）。这一数据也不是一成不变的，它将随着猎户臂绕银心公转和穿越银道面而周期性变化。具体怎样变化目前还难以拿出具体算法，但并不影响对地球影响的分析。这一数据比月球对地球的引力强度大，但小于太阳对地球的引力强度，它同样可以影响引力潮和固体潮，进而影响地质记录。

图3-12  太阳系和银河系

有了上面的数据分析，就可以对引力潮的形成进行分析。由于银河系、周期较长，它引力虽对地球有影响，较之于月球和太阳而言，可以看成是稳定不变的，因此当月球围绕地球旋转时，当太阳、月球、地

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球处于不同的相对位置，根据（3-43或3-44）式地球内部的合力强度是不同的，因此等压力面、等位能面，等合力强度面在不停动态在改变。三者处于一条直线上，当月球处于太阳与地球中间，朝向太阳一面的地球合力强度减小，背对太阳一面的合力强度增加，使得等压力面、等位能面、等合力强度面被改变，为建立新的平衡，海水向朝向太阳的一面涌入，因而朝向太阳的一面引起强潮汐，背向太阳的一面形成落潮；对于地球内部，同样存在物质与海水相同方向的运动，所以出现固体潮。强潮汐天文条件与地震火山活动有很好的对应关系[75、76]，这是因为对于处于临界状态的点或块，合力强度的改变，使得该点或块的地应力增强，所起的作用只不过是临门一脚，在此认为加强这种规律性的总结，对于防灾减灾是有义的。对于太阳、地球、月亮三者处于其它相对位置，潮汐、固体潮相对较若较弱。月球周期性绕地球运动，杨学祥等（2004年）认为使得太平洋、印度洋的海底引起跷跷板的运动，进而影响到天气[74、75、76]。

3.4.2  对经向纬向构造和波浪状镶嵌构造网的解释

经向纬向构造带是李四光提出的，下面根据球内性质做一简单的解释。在做解释前对地球自转情况做一简单叙述，地球本身存在有章动和钱德勒晃动，自转的速度时快时慢，详情见表3-1[40]67-68。在图3-0中，根据Ryugu表面坡度在经度和纬度方向的差异，推测Ryugu早期的自转速率可能曾达到过现今的两倍，导致有些岩石向赤道运移，同时有些岩块可能还被甩离Ryugu（Watanabe et al，2019）[46]。

图3-12-1中国波浪状镶嵌构造网示意图

      地球自转强度E自=ω（t）rsinβ（m/s2）,两极为零，由外而内，线性递减，由赤道向两极自转强度以正弦规律递减。现在赤道地表自转强度0.0337m/s2，是月球引力强度的178倍，是太阳引力强度的5.683倍，是银河系引力强度的306.36（30.36）倍。地球自转对于刚性的地球表层来说，月球、太阳、银河系比及自转来说，可以忽略其作用，当自转加快，地球内部等压力面改变，沿赤道外凸，两极方向物质向赤道运移，运移的物质上下粘度不同，造成运移的速度不同，又因惯性造成表层形成经向和纬向挤压；同样

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的原因，地球自转变慢，地球内部等压力面改变，沿赤道回缩，物质由赤道向两极运移，同样形成经向和纬向挤压，因而形成经向纬向构造。又由于地球自转轴又绕极轴章动，这种经向和纬向构造在方向上产生改变，形成了图3-12-1的状态[77]。在此认为窃以为这是张伯声院士（1979年）波浪状镶嵌构造的理论基础，也是Doglioni（1990年）推断板块运动具有流线（见图1-4）情态理论的基础。

3.4.3  对构造活动韵律的解释

图1-9地史上约35Ma左右的重要地质事件集中期与穿越银道面时间对比，表1-2列出了地球各圈层主要地质事件的旋回周期，表1-3是马宗晋对地球韵律的分级研究，从地质学的角度看，最为引人注目的是地质事件旋回与太阳系穿越银道面的时间重合。太阳系围绕银心一周的时间周期约2.5亿年，穿越银道面约35Ma，地质事件旋回周期主要发生时间主要集中在穿越银道面时发生，这就使得人们不禁要问这是为什么?在没有球内合力强度方程前，对这一问题难以解释，但有了强度方程和球内七性质解释起来就容易的多。下面就对这一问题做如下解释：

     银河系对地球的引力强度前面粗估值是E银=1.1×10-4m/s2（或1.1×10-3m/s2），介于月球和太阳引力强度之间，但他们对地球的作用周期分别是一个月、一年，对地球的作用是短期的；而银河系对地球的作用周期长周期约2.5亿年和约35Ma，是长期的。从图2-1和图3-12知，地球穿越银道面时地球离银心较近，离开银道面又变的越来越远，因此银河系对地球的引力强度也存在着约35Ma的变化。这一变化不但影响着地球，也影响着与地球相关的天体，太阳系存在小行星带，当穿越银道面时，小行星带的一些星体运动轨迹发生变化，其中有些就会撞向地球，引起地球局部质量改变，进而发生各种变化（可参阅3.1.8.3），这是其一；其二，在传越银道面过程中银河系对地球的引力强度存在由大到小，或由小变大的过程，这一过程与月球、太阳等共同作用于地球，不断的周期性的改变着地球内的压力-增大或减小，根据球内性质，平衡和不平衡不断的斗争着，而此时地质作用表现为最为剧烈。具体表现为火山活动增强、海底扩张增强。

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火山活动的增强，造成气候的急剧改变，因而造成生物集群绝灭等。这些现象保留在地质记录中，从而形成地质事件约35Ma的旋回。而更大的地质旋回是大陆的漂移[5]，大陆的离散研究显示具有5亿年的周期，图3-12-2显示了这一变化规律。

图3-12-2 全球大火成岩省与超大陆旋回的时间耦合关系[45]

地外天体作用与地球存在各种周期最为重要的是前面提到的月球、太阳、银河系以及自身，地球自转一天、月球绕地球一圈一个月、地球绕太阳一周一年、太阳系穿越银道面约35Ma、太阳系绕银心一周约2.5亿年，这些周期相互叠加，不断的改变着球内压力，进而影响着地质进程，从而使得地球存在不同尺度的韵律变化，限于本文的主题，在此不再做更为详细的具体韵律形成的分析，仅此一笔带过。

3.5  从具体事例看具体的地球动力学    

在3.1.8节和3.4节中，对七个具体事例，应用合力强度方程或球内性质做了分析：盐丘形成主要与重力有关；陨石的撞击既与重力有关也与热力有关；青藏隆起主要与重力有关和热力有关也不排除自转和地外作用等；潮汐和固体潮主要与月球引力有关；地球的构造韵律主要与地外引力有关，地球的纬向经向以及板块的流线主要与地球自转有关。可见地球动力的重力作用，自转作用、地外动力作用均非空穴来风，是由其理论根据的，这一理论根据是球内的合力强度或球内性质。上述事例内含了重力、自转、地外引力，所以单一的动力，想解释所有地质问题是不可取的，窃以为这是形成各种地质动力学学派的原因，正是这些学派的形成，迫使我们不断的探索，以求得真理，获得对地球正确的认知。

在获得正确认知过程中，从上面的具体分中，应当认识到问题的主次关系，即事物的主要矛盾和次要矛盾的关系，不可眉毛胡子一把抓，应当具体问题具体分析。在前面的分析过程中，弱化了其它方面的作用，即抓了主要矛盾。在弱化其它方面作用中，虽涉及到热但没做强调，因为这一部分主要是对球内强度或球内性质的分析，是主要矛盾，而热是次要矛盾。所以下面将围绕热运动做分析，在做热运动分析前先搭建它们之间的桥梁，这一桥梁是物体的浮沉，即球内性质6。

3.6  浮沉与等压力面作用的分析

3.6.1  浮沉之始对等压力面的影响分析

浮力是指物体在流体中，各表面受流体压力的差。从这一定义中可以得出是物体破坏了原有的等压力

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