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博文

地球动力太空舱实验的理由及实验粗方案

已有 1011 次阅读 2021-8-13 16:42 |系统分类:科研笔记

李务伦

1、引语

之所以提出“重力、自转地球动力学太空实验的建议与方案”最根本缘由是基于地球动力学成果有许多,这些成果是不“吃素”的各门派学者,以其掌控与理解的地质、数理、天文等知识,提出的各自最佳动力构造方案。能在地球动力学提出独立见解的治学严的、知识结构宽泛的学者,绝不会头脑一热就提出一个动力学成果,都是经过深思熟虑反复酝酿的知识结晶地球仅有一个,而动力学成果则有许多,而每一个治学严谨绝非泛泛之辈的学者提出的成果,没有几分道理,没有几多证据是不会轻易提出与读者见面的而这些成果归纳为五大动力学系统(巫建华,2008)①重力;②膨胀收缩与脉动;③地幔分异与对流(热运动)④地球自转;⑤星际作用。除这种总结外,近二十几年来,杨学祥教授(1998)提出地球差异动力学;池顺良(2011)提出内波动力学,毛小平(2019)提出周向应力动力学;梁光河(2017)地球内部热力推动动力学;李德威(2000)层流动力学;万天丰(1992)陨石撞击动力学;滕吉文(2016)、许志琴(1996)放射性及热动力学;胡宝群(2019)地压梯度驱动动力学;唐春安(2015)内部热周期积累与释放热动力学;李三忠(2018)不稳定热结构热形成的微板块动力学;马学昌(2014)核素链式核反应,热能动力学等等,不下十种。这些动力学成果有很多,所涉及动力可归纳为以下四方面的问题:力、热、自转、地外作用。下面通过具体动力学成果应用,围绕力、热、化学势、自转、地外作用谈一些看法,以回答为何提出太空舱微重力情况下,进行地球构造动力实验。同时我们已知:太空舱中足够量不规则液体,能自动收缩为球;小行星Ryugu和Bennu,在太空中为椭球态;且谷神星上,能够出现冰火山。这就为提出太空舱做地球动力比拟实验有了可借鉴的范例和可行的理论基础。也为破除各自为政,消除孩子是自家好,各学派长期共存,但不能共举,做一种探讨,如有不当还请大家批评指导!

2、构造理论与动力理论的关系

李四光系统提出地球自转动力学,并以此为据系统的将力学原理应用于地质研究,提出地质力学,但在应用自转动力学解决地质问题时,同时认为不能忽视重力均衡的作用和地热场以及放射场等其它能量相互转化对地壳的影响作用。张文右提出断块构造理论,这一理论的动力基础是地球内部的热力和重力所引起的涨缩交替作用,外加地外天体影响、地球自转角速度变化和自转轴摆动的不均一性对地球的影响。陈国达提出地洼构造理论,最初的动力来源于地幔软流层放射性释热,进而引起温度、密度的局部不均一发生蠕动,导致岩石圈中热能聚散与消替。软流层下部物质温度增高,密度减小,从而形成上升流,在岩石圈地面转变为横流,使软流层向上部释热,下部软流圈释热收缩,上部地壳受热膨胀,引起水平运动。上地幔软流层上部物质(特别是大密度物质)由于重力作用,自浅处向深处汇集,从而使能量内聚,软流圈底部因热而体积膨胀,相应部位的地壳则因热能的散失而相对收缩或膨胀不明显,同时热流减低,从而导致地壳运动减弱,水平运动退居劣势,垂直运动(起因有多种)占明显优势。从这一叙述看,地洼构造理论与热和重力有关,或者说是一种受迫热对流-热结构张伯声提出波浪状镶嵌构造理论,动力主要取决于地球的脉动,地球总体趋势是收缩,但存在波动。膨胀时自转变慢,收缩时自转变快。黄汲清提出多旋回构造理论,以重力梯度带划分构造域,构造域的发生、发展、交切、复合控制了古生代以来大地构造的发展,也是形成多旋回造山运动的原因之一。以上简单的回顾了中国本土著名大地构造理论形成的动力基础,从上面的简而又简叙述中可以看到,这些成名的大地构造理论的动力无一例外的在前述的五大动力系统中,是五大动力系统某几种动力的组合应用。下面再看板块构造理论的动力基础,最初因发现海底存在扩张,从而提出分异和地幔对流为其动力,因热点的研究,板块动力的研究处于新探索中,从而成了动力不明的构造理论。

这些构造理论的动力存在这样一个特点,一个动力为主,其它动力为辅,或者各种动力共同作用,也就是构造动力因研究者的角度存在着“取舍”。都是研究地球构造问题,为什么存在“取舍”呢?要回答这样一个问题,就要对下面系列问题进行提问。1、所有星球是球形的动力是什么?2、由星云物质集聚形成的地球,发生那些运动?3、分异、对流本质是什么?4、大陆与海洋是怎样形成的?或者说大陆、海洋与分异、对流是怎样一个关系?5、地球对外释热影响了那些物质运动?6、地外陨石对星球的撞击和地外引力场对地球的影响是什么?

3、重力动力学---星球形态与球内性质

地球和其它星球为球形原因很少有人去过问,或者干脆认为:不是球形还能是什么形态。但要回答重力动力作用,如果绕开这一问题而讨论或应用重力研究地球构造恐难全面和客观。万有引力定律表达了两质点间的相互吸引力的大小,而其中一质点为单位质量质点时,引力为F=-GMr/r3,而这一表达式又称为引力强度,以E与引力相区分,E=-GMr/r3。从这一式中可以得出这样的推论,对于质量为M的质点物质,在其距质心距离为r的任意处,其引力强度处处相等;即距质心为r的球面上引力强度处处相等,进而可以推出引力位也在同一球面上处处相等,同时可推知任一引力线垂直球面。这三个性质说明质点形成的引力场是球形场,这种球形场也就决定了大量与质点同密度更小质点物质在向质心运动堆积时:将以此三性质形成物质的球形展布,此时球心和质心重合。这也是太空舱不规则大量液体能收缩为球的本质原因,或者说是重力动力学的最为直观的具体应用,这对地球或其它星球大地构造重力动力学应用研究是一绝佳的范例。而在同密度半径为R的球内,球内引力强度E(r)=-GM(r)r/r3=-4πGρr/3(0≤r≤R);r=0时,E(r)=0,零引力强度点与质心也重合。由E(r)=-4πGρr/3还可以推出球内等压力方程P=-2πGρ2R2-r2/3;这一方程也为球态方程,在这同球面上压力相等,且压力具有各向相等的特征。当可塑球内某一处(0<r<R),假如存在一定量的可塑物质,其密度(ρ1小于周边的物质密度(ρ2),根据P=-2πGρ2R2-r2/3,半径为r的该处球面上压力将变小,球面上的压力不在平衡。压力大的地方物质,将向压力小的地方运移,从而促使密度ρ1的物质让位于密度ρ2物质,进而浮力形成,小密度物上浮。其上浮强度E=-E(r)21)/ρ1。在上浮强度的作用下密度为ρ1的物质,会在密度为ρ2的物质中持续上升,在上升的过程中存在一定的物质运动结构。这一结构存在这样的性质:上升物质的顶部物质富集且增压,下部物质亏损且形成负压;顶部物质的富集,推动周边水平运动及下部延宕,从而使周边物质也富集,形成顶部区域性平衡破坏;下部物质的亏损必向周边及上部延宕,使得周边也出现物质亏损;一富一亏间形成因浮力强度的存在而形成的运动结构。当密度ρ1物质出露密度ρ2物质后,经过一段时间二者之间震荡能量消耗尽后,平衡建立,这种平衡时下的名称为重力平衡。而这种平衡的密度ρ1物质展布形态,首先取决于密度ρ1物质量的多少,物质量少,在其物质内聚力作用下,形成球冠;物质大量时形成球层。这样又可得出不同密度可塑物质可以形成同心球层。与上述相反的情形是:当ρ1大于ρ2时,密度为ρ1物质下沉,下降过程中也存在运动结构,最终在位于球心位置形成球形;而密度为ρ2物质形成球层。

通过上面的简单分析,可以总结出以下无旋和无外力作用下的球内性质:1、引力线为直线、引力线方向与压力方向均指向球心;2、等引力强度面、等压力面、等引力位面均为球形;3、引力线与等引力强度面、等压力面、等引力位面垂直;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;5、球内任一点的各向应力值与该点的压力值相等。6所有物质,由球心向外,按密度从大到小圈层展布。这些性质应是重力动力学的全貌,它们决定了几乎所有大地构造理论,在讨论地质现象问题时,都必须要或多或少提及重力或重力均衡,以解难言、难绕之事。至此也就回答了前面提出的第一个问题,星球为球态的动力。

青藏高原被许多学者认为是解决地球动力学问题的绝佳地,围绕这地区提出许多动力模型。如李德威提出层流动力学理论和马润勇等(2005)提出递进模式动力学理论等等;同一地区提出了不同的理论,然根据球内性质1-6,显然层流和递进都是在印度地体北移下,硅铝物富集,应是重力动力作用即球内性质的不同表现。因此,想通过研究青藏高原隆起,获得地球动力学的重大突破,还需要其它动力做支撑。由上可见重力或球内性质这一动力的决定性地位的作用,将无法绕开和撼动,不论你是什么理论,因为重力或球内性质就像如来佛的手,能翻筋斗云的孙大圣最后只能被压五行山。也就是说重力或球内性质是一切星球构造运动的第一动力,离此论述地球动力最终自能是水中月,镜中花。有资料显示,万有引力常数G,20亿年的变化可以忽略不计(杨冬红等论文)。

4、星云物质汇聚及发生动力现象简单分析

星云物质来源于宇宙大爆炸,地球的形成来源于星云物质的汇聚。星云物质汇聚成地球,虽是一个复杂的动力学过程,对于地球构造关系并不是太大,因此下面主要简述与构造有关的一些问题。星云物质汇聚遵守球内性质,形成假均匀球态的原始旋转地球,根据杨学祥教授的计算获得的总引力位能为2.24×1032J,因此,不论星云物质是冷是热,汇聚一处的星云物质整体上快速升温,局部升温又远高于整体升温。星云物汇聚到原始地球前处于一种环境,汇集后又将处于一种新的环境。因此首先可预见的不平衡为热不平衡;其次铁陨石(6%)、-铁陨石(2%)、石陨石(92%)密度不同,所处的位置并没依据球内性质形成圈层,所以存在力不平衡;三、铁陨石、-铁陨石、石陨石性质不同,根据热力学第一定律:图片1.png,当引力位能变为热能,粒子内能增加,粒子间距离增加,对外做功,化学势改变,因而存在化学不平衡和力不平衡。而内部物质的态还要遵守克拉珀隆方程dp/dT=l/T/(v1-v2),低压下可为塑性的而高压成为固态;整体升温的地球,遵守热力学第二定律,向外太空释放热量,从而形成地温梯度。星云物质汇聚完毕,原始地球由整体升温,逐渐的变为整体降温,一直到目前。因粒子间距离与温度有直接的关系,温度高粒子间距离大,温度低粒子间距离小,所以地球总体处于长期整体收缩状态,但又因内部增热存在脉动。

根据陨石元素统计分析:氧(31.55%)、铁(30.70%)、硅(15.82%)、镁(12.17%)、硫(2.60%)、钙(1.52%)、镍(1.44%)、铝(1.34%)、钠(0.60%)、钾(0.15%)。它们的原子半径、离子半径各有不同。硅和氧形成硅氧四面体,硅氧四面体再结合形成:岛、链、环、片、架硅酸盐矿物。小半径阳离子镁、铁等与硅氧多形成岛、链状大密度硅酸盐大半径阳离子钾、钠等与硅氧多形成片、架状硅酸盐;因而前者所成硅酸盐密度大,后者所成硅酸盐密度小。又根据氧、铁、硅等的比例,铁元素将存在富余。因此在地球形成过程中,依据球内性质大密度物质向球心运动,小密度物质向背离球心的位置运动,这就是许多学者常称的早期地球存在分异,分异强度为E=-E(r)21)/ρ1。分异过程将伴有势能转变为热能的产生,使得越向球心温度越高。原始地球形成的星云物质碰撞带,是原始地球急剧升温地带,急剧的升温使得物质黏度迅速下降,黏度的迅速下降是因为,粒子间距离快速增大,因此在碰撞带上分异最为快速激烈,而分异产生的热能又加剧所物质的黏度降低以及分异范围的拓展。大密度物的迅速向球心方向的汇聚,同时球心方向温度快速上升,使得球心周围形成不均匀的热源提供者,改变上部各种密度粒子间的距离,从而形成一种特殊分异--强迫对流,笔者定义为热结构。之所以形成热结构,是因为物质受热密度变小分异强度E产生,上升的物质造成后部负压,进而形成负压强度,因此E=E;上升物质前部激起物质的富余,后部造成物质的亏损;上升物质在热的连续作用下,持续连续上升,出露球表后,因引力强度回返,并与热结构下的负压形成的外展相衔接,在回返物质处形成“负浮力”,从而形成受迫对流-热结构。在这种热结构中底部大密度粒子脱离热结构并汇集,小密度脱离热结构,展布于热结构顶部的周边,小密度物正是阿莱格尔在其著作《活动的大陆》一书中提到的:大陆漂浮在地球上的泡沫。这一过程使得物质一分为三,密度大的如富裕的铁等,将依据球内性质,形成地球核部,进行热结构运动的形成地幔。

杨学祥教授通过角动量守恒定律,导出了因分异和对流导致的地球内部产生的差异性旋转,并计算出了内核热能净增值8.66×1030J;马学昌研究员通过对太阳系重元素分布研究认为,类地行星存在较多的重核素,其中U、Tu等较多。分异和对流使得重核素得到富集,富集到一定的量时,将发生链式核反应生热;而这种链式核反应是否发生,现实看并没直接的证据证实,但衰变生热会一定存在。但所有的内部生热如何展布,笔者和其它的研究者一样,没有给出其相应结果。可对流热结构中的上升流,已被证实且称之为热地幔柱(羽)。丸三茂德依此提出地幔柱构造学,在此理论中,可能考虑到全球平衡问题,将大陆下给出冷地幔柱与热地幔柱相呼应。但地幔柱构造动力学很难解示大洋中存在的微陆体和微洋块(李三忠)以及洋中脊的生与死。

上面根据球内性质分析了分异和受迫对流--热结构的产生,用数学表达式可表述为E=E+E(r)E(r)。也就是说只要球内部任一处EE(r),就会发生物质运移,随之产生构造运动。

原始地球由许多不同的陨星等汇聚而成,形成数不清的撞击点。根据前面的分析,撞击点是最早形成热结构的地方,当星云物质汇聚完毕,地球内部将存在数不清的点源热结构,这些数不清的点源热结构周边不断分异出小密度物质;同时一些小的点源热结构被大的热结构吞并,或因热能消耗尽后而消失。而能量相近的又离的较近的点源热结构,根据流线不相交原理,产生相互干扰,最后演变出线源热结构。线源热结构间的相互干扰形成转换断层和三联点以及链源热结构等,进而形成一个网状的热结构遍布全球,在“网眼”上展布有依据重力平衡而存在的小密度物。“网眼”上小密度物如果存在密度差异和化学性质差异,依据球内性质还将分异,所以胡宝群教授提出“地压梯度驱动动力学”也在情理之中。

但网状的的热结构,有的地方强有的地方弱,若以位能为主要热能来源的话,强处的热结构的范围不断扩大,与其为邻的弱的热结构最后被吞噬,成为强热结构的一部分,从而强的热结构更强,最后形成最大的点源热结构,而所分异出的小密度物,因为处于低粘度状态,通过密度差异界面滑动汇聚一处,实现第一次联合大陆。联合大陆受点源热结构的持续作用,使得一部分作用动能转变为联合大陆下的热能,从而使联合大陆的下,因新能量的注入及还存在三种不平衡,从而形成许多新的热结构;而最大的点源热结构则逐渐式微,转为收缩状态,新的热结构则逐渐发展壮大从而使联合大陆开始裂解;还有一些热结构中途因热能的耗尽而形成日后的地洼与地堑。在新的热结构作用下的大陆裂解的持续推进,新的热结构的壮大是通过热结构底部负压吸取周边物质而形成,这样就使得最大点源热结构逐渐收缩,到一定时期二者间取得平衡,新热结构在小密度物边缘开始形成俯冲带。在这一过程中旧的热结构在获得来自新热结构的动能转化来热后,在收缩后的范围内,因三种不平衡再次形成各种热结构,进而进入下一个联合大陆的形成过程中。而上述这些过程,均是在球内性质得规范下而形成存在。这也就回答了前面提出的2-5问题。

其实上述过程中,由于外太空是冷的,因此地球就成了一个大的热源,根据热力学第二定律,自陨石几乎不在袭击地球,地球就基本开始转为降温,地球的表层开始出现固相,并随时间的推移逐渐增厚,同时进入太空的易挥发物回落地球,但太阳对地球的能量补给,又使得地球从赤道向两极出现温度梯度。因此地球上第一场雨和雪下在两极,而后遍布全球。雨水在引力强度的作用下汇集于地球表面的低洼处,海洋出现。

5、降温对构造的影响

地球降温使得易挥发物质回到地球表面,同时使表壳产生固体,并随时间固体下延。降温还带来陆表皲裂,以及物理化学风化,其产物在水的作用下运移低洼处,陆地出现河流湖泊。同样降温还影响还影响海洋,除风化外陆内低洼处、陆的边缘接受来自陆地河流携风化物的沉积(地槽、盆地)。受剥蚀和接受沉积部位在球内性质作用下,随机响应的抬升和下沉,即表层物质在新的环境下发生如下物理的、化学的、机械的运动,从而在球内性质的规范下达到平衡,沉积岩出现。

6、自转、地外引力等对地球的影响

6.1自转引起的强度变化

地球自转速度总体是在变慢,但又存在日长变化波动,波动量级在10-10,波动范围大致在-500×10-10500×10-10波动较大周期T1从现有资料看约在45年左右,研究还发现存在季节性波动,及14个月的章动周期(T2)(傅承义,地球物理学基础45-69)。当然地球自转还存在其它周期,也影响着地球,但在此以说明问题为主,故不再涉及,有兴趣的可参见傅承义和杨学祥的著述。在大地坐标系内ω=ωT1T2),因此地球内部的自转强度为:

Eω(r)=ω2(T1T2)rsinβ(β与极轴夹角,r<R   1)

所以对地球内部任一点的合力强度E(r)=E(r)+Eω(r)(r<R),业已通过简单数学证明这是一个三轴中两轴相等的椭球方程。这对解释地球为什么为椭球形提供了理论依据。地球平均引力强度是地球赤道自转强的约290倍,即E(r)/Eω(r)≈290β=90°),如此小的自转强度,使得地球具有椭球形态。

6.2月球在地球处的引力强度变化

月球是围绕地球运动,地球绕太阳运动,太阳在银河系一个臂上绕银心运动一周约2.5亿年的同时,还八次穿越银道面。下面首先对月球在在地球形成的引力强度做一分析。月球距地球平均距38万km,绕地球一周时间为27.32天。地月间距离与月球绕地周期T3有关,即月心到地球内任一点,某一时刻t0,在大地坐标内,地球内任一点到月心的距离可表为l=l(r,t0,T3)。在假定月球绕地轨道平面与地球赤道平面重合情况下,月球在地球范围内引力强度简单表示为:

E(l)=E[l(r,t0,T3)]=-GMl(r,t0,T3)/l3(r,t0,T3)  r<R   2)

由此可见月球在地球处的引力强度是一个非常复杂的函数。但由于地月间的距离较远,月球在地球处的引力场可近为视为平行力场,在地球体的范围内,同一时刻的力场强度可视为不变。因此地球内任一点的合力强度为:E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)(r<R)。业已证明该方程仍为椭球方程。

6.3太阳在地球处的引力强度变化

由于地球绕太阳运行的轨道是个椭圆,太阳位于一个焦点上,所以两者间距离是时刻变化着的。地球绕太阳一周周期T4365.25天,地球赤道平面与地球绕太阳轨道平面存在一定的变化夹角,在忽略这一夹角的情况下,在大地坐标系下,某一时刻t0,地球内任一一点到太阳中心的距离可表为l=l(r,t0,T4),太阳在地球体积范围内的引力强度可简单表示为:

E(l)=E[l(r,t0,T4)]=-GMl(r,t0,T2)/l3(r,t0,T4)  r<R   3)

由此可见太阳在地球处的引力强度是一个复杂的函数,由于距离的较远,在地球处的引力场,可视为平行引力强度场。因此地球内任一点的合力强度进一步表达为:E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)+E(l)(r<R)。这一方程仍可证明为椭球方程。

6.4银河系在地球处的引力强度变化

当然这种还与其它星体有关,但太阳系内的行星,由于质量小距离远,所形成的引力强度通过计算远远小于月球,所以不再讨论它们的引力强度。但银河系对地球的作用则不可忽略。月球在地球处的平均引力强度为E=3.32×10-5m/s2,太阳在地球处的平均引力强度为E=5.93×10-3m/s2。银河系在地球处的引力强度,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4.1771×1041kg(目前有的认为银河系质量为5.9673×1042kg)的四分之一,即约1041kg(1042kg)。因此可粗估引力强度为E=1.1×10-4m/s2(或1.1×10-3m/s2)。而太阳系绕银心一周T52.5亿年,且八次上下穿越银道面,间隔T635Ma。在大地坐标系下,某一时刻t0,地球内任一一点到银心的距离可表为l=l(r,t0,T5,T6),银河系在地球体积范围内的引力强度可简单表示为:

E(l)=E[l(r,t0,T5,T6))]=-GMl(r,t0,T5,T6)/l3(r,t0,T5,T6) r<R  4)

由此可见银河系在地球处的引力强度也是是一个复杂的函数,同样,由于距离的关系,在地球处可视为平行引力强度场。因此地球内任一点的合力强度进一步表达为:

E(r)=E(r)+Eω(r)+E(l)+E(l)+E(l)(r<R)r<R   5)

这一方程仍可证明为椭球方程。根据式(5),球内性质如下: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性质7球内所有质点具有动态平衡和周期性变化的特征

6.5各种强度的排序

原始地球的自转角速度4.36×10-4rad/s(杨学祥,地球差异旋转动力学,30页),现代自转角速度7.27×10-5rad/s,相应的的赤道自转强度为1.2109m/s20.0337m/s2;可见历史上自转强度的量级变化在0-10-2m/s2。王丹等(2018)证实朱拉沟闪长岩来源于俯冲带玄武岩;徐健与国内外合作者联合研究2021)得出:云南点苍山—哀牢山地区的二叠纪—三叠纪花岗岩系有俯冲带存在纯沉积物熔融形成。从这两例基本可以断定硅铝岩,来源于分异和热运动分异;同时根据大西洋北部重力资料,岛弧重力资料(洋中脊布格异常150毫伽左右,自由空气异常最大值50多毫伽),以及俯冲带俯冲带“负浮力”,以及对受迫对流-热结构的构造分析,地幔对流不但原始地球存在,且一直延续到现在。但此处关心的是热结构上升部分,在核幔边界的不均匀热造成的密度差异是多大,才能引起上升流,根据朱拉沟闪长岩来源于俯冲带玄武岩,玄武岩密度2.8-3.38g/cm3和闪长岩密度2.85-3.00g/cm3,密度差异约为0.3,因而浮力强度约为0.1m/s2,因此可简单判断,核幔边界的不均匀展布,造成持续的物质上浮,浮力强度E不会小于0.1E(r)m/s2。但这一量级的上浮还会受到黏度形成的粘滞力影响,粘力强度E,粘力强度E量级根据现有重力资料:洋中脊布格异常150毫伽左右,自由空气异常最大值50多毫伽推断,E数值略小于E浮,但量级应基本相同。这样以来可以将目前述各种力强度做一排序:地球引力强度第一,浮力强度和粘力强度第二,地球自转强度第三,太阳和银河系引力强度第四,月球引力强度第五。因此由梁光河、毛小平等2019年发起的地球动力学研讨会,将地球构造动力主要锁定于“重力”和“热力”是有道理的。

在这里将EE纳入到方程(5)中,用来简单描述热结构上升流的状态。由于EE方向基本平行,所以带入方程(5)后的方程,仍为椭球方程。而在返回的俯冲带,情况也基本如此,故不在细说。

6.6各种强度的作用

月球的引力强度量级是最小的,这一最小强度量级,一般情况下引起引力潮,固体潮不明显。当月球处于太阳和地球中间时,引起强引力潮,固体潮明显。杨学祥还发现地震与赤纬角最大值存在相应的对应关系。可见月球的引力强度尽管最小,对地球还是存在作用。以地震发生为例,刚性的地壳,在周期性力强度的作用下,不可能随各种力强度的改变而跟进改变,即按椭球方程(5)展布其物质,同时如再受到热结构的近、远程的力的作用,因而形成应力积累,大陆内刚性地壳发生地震与短周期月球位置有关在所难免。这一解释同样适用于和达贝尼奥夫带的地震发生。月球引力强度尽管强度量级小,但并不妨碍大范围大尺度上的,短时间内可见到的地球表层潮汐和固体潮运动现象。它是造成地球小尺度韵律(马宗晋)动力的一种。

地球绕日运动周期为一年,强度量级也不是太大,虽有四季的变化,但对于地质构造而言,很难留下明显的痕迹,也或目前没有发现,故不做讨论其作用。它也是地球小尺度韵律(马宗晋)动力的一种。可长周期的太阳绕银心运动,目前已揭示中层序边界、溢流玄武岩、造山事件、海底扩张不整合,磁极倒转,二级海平面旋回,火山活动增强期、构造运动加强期、古气候旋回、碳酸岩侵入、金伯利岩侵入、天体撞击几乎都和35Ma周期有关。下面应用银河系引力强度变化解释这些现象。

太阳系由远离银道面向近银道面方向运动,引力强度在地球处逐渐增大,使得旋转地球内部的合引力强度(5)发生改变,内部压力逐渐减小,核外部的不均匀热展布转为活跃,并影响上部,地球整体上逐渐出现微涨。刚性的表壳,处于临界断裂状态的发生断裂,引发地震和火山喷发(含溢流玄武岩及岩石入侵);处于压缩状态的表壳挤压应力变小;处于正常应力状态表壳变为张力状态,甚至是临界断裂状态。到地球到达银道面,地球因银河系引力强度,地球的各种地质现象也就达到最强。这样就看到了唐春安教授提出的地球的龟裂。地球的龟裂,根据热力学第二定律,使得地球对外太空释热速度越来越快,火山的喷发和陨石撞击更加剧这一事态的发展。快速的对外太空的释热,引起地球的整体大收缩。

在陆体上除了刚性的陆体断裂平移外,下部热运动活跃,一是因链状热结构产生地堑,相对的导致两侧相对隆升;二是因点状热结构产生地洼,相对导致周边隆起,即盆山耦合;三是岩石入侵,甚至形成大陆溢流玄武岩;四是冰川、冰盖不断萎缩,其下地体在球内性质作用下上升,海平面相对上升,海侵出现;五是造成生物大灭绝等;六是因快速释热造成刚性的岩石,向地心方向延伸。在海洋热运动,一是强的热结构变得更活跃;二是小的热结构变得增大;三是出现一些新的热结构;四是海洋底部出现李三忠博士归纳的微板块;五是海底强的热结构运动,可能将导致大陆边缘山系隆起以及俯冲处负浮力的较大变化。在上述陆体的一至三和海底的五可以看到地质力学中的“力”。

当太阳系越过银道面,银河系在地球处的引力强度开始逐渐变弱。刚性断裂的地球表面将会相互间变得紧密,使得地球对外释热逐渐变小,活跃的各种热结构变得萎缩,对外太空的释热逐渐变小,火山的喷发和陨石的撞击带来火山喷发,火山灰阻挡太阳能量进入地球,地球逐渐变冷,冰川、冰盖在两极逐渐扩大,其下地体在球内性质作用下下沉,海平面相对下降,出现海退。甚至时间不长就造成地球成为雪球。而地球内部因对外释热的减少开始盖层似保温而整体升温,内部粒子间距离加大,引起地球整体膨胀,外部刚性部分逐渐变薄。各种构造运动日渐变弱,当太阳系到达到达再次向银道面运动,构造运动达到最弱。在这一过程中,天空日渐晴朗,地球再次吸纳来自太阳的能量,生命再次逐渐兴盛。陆体下随着银河系引力强度的减弱,热运动逐渐被锁固,表层的各种构造运动逐渐和缓,最后以剥蚀和沉积为主;动、植物再次逐渐昌盛。海洋面积收缩,洋底部热结构变得不在活跃,有些热结构甚至死亡,生命再次逐渐昌盛。然后太阳系再次穿越银道面,重复上述过程,这种周而复始的穿越运动将导致陆体的开合(杨巍然)。而上述过程也应是唐春安教授的龟裂理论的精髓所在(如果错误理解唐教授的理论,请谅解!),同时在这一过程中热力是最不容忽视的的动力,其它力场强度:月球、太阳、以及自转等时而助力开合,时而妨碍开合,但不论这些力如何作用均难逃球内性质的法网。

地球的自转强度排在第三位,前述已知自转速度的变化量级在10-10,脉动周期45年左右,章动周期14个月。自转强度的方向始终垂直转动轴,且赤道最大,向两极方向逐渐减小直至为零。根据上述叙述,做如下分析:在赤道上,当自转角速度改变后,由于与地球引力场强度方向相反,从而引起赤道上压力从内二外最先发生改变,破坏球内的已有的压力平衡。当加速时地球内部物质,从球心到赤道表面,所有物质将向赤道运移;当减速时,则与之相反,又因之存在章动,及地球赤平面与太阳赤平面并非垂直,因而使得地球在大尺度上构造运动上,其作用主要表现为经向纬向及扭动。根据式(4)和力场强度的排序,外部引力强度与地球赤道自转强度相比差一个数量级。但在对地球构造作用方式上存在极大的不同,外部引力场基本以平行力场作用于,在地球处存在极小几乎可以忽略不计的力场梯度;自转力场则以垂直极轴,且章动,又由内而外,由赤道相两极又逐渐减小;热结构运动的上升强度与地球引力场强度方向相反,显然自转只能造成大尺度的构造运动,即经向纬向及扭动,而非地质力学中起决定性的构造动力作用。这也就印证了长期以来对地球自转动力“能力”的怀疑,当然此处的解释是否合理,欢迎批评指导

最后仅剩下浮力强度的作用没有讨论。海底扩张有以下两种对立的观点:扩张由洋中脊张性带来,扩张由俯冲带负浮力拉张形成。两种截然相反的的观点孰是孰非呢?从目前收集到横跨大西洋及岛弧重力资料,以及对热结构的构造分析来看,负浮力来源于热运动的上升。另大西洋两侧几乎全是被动的大陆边缘,几乎没有俯冲带、没有负浮力,大西洋照样两边不断相互远离。大西洋的不断扩大需要有物质基础,这些物质来源于何处?显然只能来源于地球本身,当热运动促使物质上升,推动陆体张裂,不论硅铝陆体如何运动,根据球内性质,必有外来物质补充两者之间,物质的受热上升来至热结构的底部,这样就形成了负压,负压自然外展,从周边获得物质,才使得大西洋两岸持续远离有了物质基础。所以浮力强度才是形成构造最为基本的动力,但不可没有球内性质的“约束”。小的热结构陆体内造成局部上的地洼,陆体的边缘部位造成部分陆体离开,如澳大利亚东南部岛屿,中国的海南岛以及渤海、黄海热运动扩张导致朝鲜半岛脱离大陆(梁光河博文)。梁光河博士提出的新陆体漂移理论的根本恐源于此(如有错解梁博士理论,请谅解!)

陨石在银道面附近陨石较多,太阳系的穿越,破坏了原有的动力平衡,致使陨石脱离轨道而撞击地球,根据球内性质,陨石造成局部质量的富集和热能集聚,根据前苏联最大一次核爆造成的地壳位移,陨石造成构造运动是一定存在的,但会有多大规模,有待商榷,因此万天丰教授将陨石撞击作为一种构造动力有一定的道理。

杨学祥通过数理关系导出的地球内部的旋转差异,而后美国通过地震手段证实这一存在。而这一理论前提是存在地幔对流和分异,由于地球内部不同半径线速度的不同,当质点上升和下降必然导致质点速度改变,大质量的质点汇于球内部除一部分动能变为热能,另一部分造成内部自转加速。这样的论证可间接佐证物质受的受热上浮。杨学祥的这一研究走在了前列,应该说是一地球动力学理论数理理论化的可喜进步。当然毛小平的周向应力、池顺良的内波理论也是很好的理论成果。而这些理论是分散的,因此觉得对这些动力学成果进行捋顺,找出统领这些理论的“纲”。

7、统领地球动力学的纲

通过上面的简单总结分析,地球动力学的纲可总结如下:1、由万有定律导出球内性质,陨石在球内性质的规范下,形成球态;2、引力位能、位能及放射性使得星球生热,不断升温的地球遵守热力学第一定律吸热、对外做功、产生化学势;遵守热力学第二定律对外释热,并改变物质的相态;3、分异和受迫热对流-热结构的作用;4、自转、地外天体如何通过力场力强度影响地球。更为简单的可归结为:力、热、化学势、自转及地外作用。

8、急切需要解决的问题

目前围绕地球动力最大且急需要解决的问题:1、海陆的是如何分开的,其机制是什么?2、在海洋中,到底是洋脊是张性的,还是拉张性的,它与负浮力间的关系;海底微地块的和其内微陆体的关系。3、陆内盆地、地堑的形成与地球内热运动的关系。

这些问题如何解决,可以说业界各学派给出了自己的解释,其争论用白热化也不为过,以至于学界流传:小构造吵吵闹闹,大构造胡说八道。地震被业界认为是解决问题的不二选择,在解决地幔对流问题上,不同学者给出了不同的模型解释;而钻探目前最深也不过一万多米,直接用它们解决的问题可以说困难重重,可以说可能已用到了极限,已到了已必须另辟蹊径的时候。

9、太空舱地球动力的模拟实验

中国已建立独立太空站,太空站处于微重力环境,处于微重力环境的一切物质具有“漂浮”特性。这种漂浮同所有星球形成环境是同样的,同时已发现不规则液体在太空舱中能迅速收缩为球体,这就为地球动力进行太空模拟实验,提供了实现的例证。太空舱内,根据高斯定理,外部力场强度为零,这对研究构造运动的动力是一个不错的可比拟的选择。小行星Ryugu和Bennu,在太空中为椭球态;且谷神星上“冰火山”。因此,选择太空舱做动力实验,比及现在的各种收集地质现象,以解释区分各种动力作用,要直接的多,方便的多;可进一步能达到统一各学派认同共知,有可能使中国在地球科学上引领世界!

9.1球内性质的验证

从太空舱中液体迅速收缩为球态,基本可以肯定无旋和无外力作用下球内性质1-5是成立的,因此太空舱实验只需做不同密度的物质均匀混合的实验即可。无旋和无外力作用,三种不同密度均匀混合实验设计:

1、选择不同密度的材料,如钢球、塑料球、石英(2.65g/cm3三种,其各自的体积按地球核、幔、陆比例混在一起。

2、材料的粒径1mm左右,塑料和玻璃等颜色不同且透明。

3、混合后的三种材料,做成异形。

4、先是观察并全方位录像记录是否收缩为球,同时全方位红外监测温度变化。如果收缩为球,继续全方位观察并录像记录是否形成球层。并作全方位红外记录,观察温度的变化。

5、如果形成球层,说明无旋和无外力作用下性质6成立。

6、分析分异的作用过程,为下一步实验做准备。

9.2混合物旋转下的实验

对上述已成球层的球体,给一个初速度使其旋转,观察并影像记录其三部分的物质运动过程和稳定形态,并作红外监测。然后制造球体减速,同样观察并影像记录其三部分的物质运动过程,并作红外监测;观察表层物质是否在大尺度发生经向纬向构造。如果旋转造成赤道半径增大,两极收缩,及大尺度纬向经向构造,说明方程E(r)=E(r)+Eω(r)(r<R)正确,说明自转是地球构造运动的一种动力。但是否是地质力学的“力”,有可能得到直接判断。如果是地质力学中的“力”,地质力学当需重视,否者仅能接受合理内核,从而寻找合理的动力。

混合后成为异形,并使其旋转,观察并影像记录其三部分的物质运动过程,并作红外监测。而后分析分异带来的热于内部热展布,验证杨学祥分异能的转化;以及圈层化的规律。为分析原始地球分异状态寻找可比拟的理论,以及周向应力在构造运动中的作用等。

9.3加热下的实验

在完成球内性质和自转作用实验验证后,则转入热运动带来的验证。这一验证要重新设计,主要验证陆和海洋之间的关系,同时验证“负浮力”与热对流的关系,以及转换断层的性质等。这些问题如能解决,也就解决了目前最为卡脖子的问题。

1、实验材料设计:选择铁,透明pvc塑料1.45-1.55g/cm3),透明石蜡(0.86-0.91g/cm3),体积比与核、幔、陆体积相近。各自粒径小于1mm。

2、再次将混合的材料后,观察并影响记录形成球层的的过程,及红外监测球内温度改变过程。如果形成球层,再次说明球内性质正确,可以进行下一步实验。

3、将形成球层的铁核外部放置可控圆形生热装置,生热装置生热融化pvc塑料,直至上部PVC融化上升。观察并影像全方位记录这一过程,同时红外全方位记录径向温度变化及球的整体变化,特别是球径的变化。若上升的PVC,上升过程中出现受迫热对流-热结构,并且持续的到达球表面。如若热结构出现推动石蜡向周边运移,并形成“海沟”,说明地球内部存在对流,且对流-热结构使得海陆形成。这样以来可以解觉如下问题,洋脊是张性的,负浮力是热结构中上升流导致的,即E=EE=-E(r)21)/ρ1,因此联合大陆的形成是点源热结构推动形成的。

4、若联合大陆的形成是点源热结构推动形成的观点被证实成立,就可以做转换断层的形成验证。当然这种验证是基于前述受迫对流-热结构的切实存在,其实验设计如下。做两条形弧状可控生热装置,在实验球的核外部一上一下平行错开放置,而后同时以同热量持续供热,并观察、同时影像记录、红外监测内部温度变化。如果上升两线源热结构,如期达到球面,并在两者最近部位出现“转换断层”似的相互干扰,且推动石蜡向周边运移,上升的物质后又于石蜡边界回返,“负浮力”仍旧可证来自上升流的上升,说明热结构正确。进而可证明受迫热对流-热结构推动硅铝层,是地壳构造运动的主要力,也就是地质力学中的“力”。

5、若上述全部正确,可进一步做大陆分离的比拟实验。在点源热结构作用下,于实验球内,石蜡正下方核部放置弧形条形可控生热装置,开始供热后,观察并影像全方位记录和全方位红外监测球内变化。在观察记录中,主要放在点源热结构的收缩和石蜡横向的运移及石蜡的断开上。当热结构开始触动石蜡,如果热结构先是减薄,后是断开同时引起点源热结构范围收缩,并出现点源热结构PVC向条状热结构下部运动。就可比拟出如下问题:一是大陆裂谷和地洼的形成,二是大陆漂移原理。如果这两类问题解决,地球动力学的最基本问题可以说基本得以解决。

6、至于混合后,旋转态并供热下,出现的运动情况,在此不再述说其实验设计。这是因为上述实验是否能成功,还有待验证;因为现实很为骨感,这些还是纸上谈兵,再谈无益。

10、就太空舱实验向学界同仁的呼吁

太空舱地球动力实验,不是说说就可以做到的,这种实验没有国家层面的支持,目前只能是空谈。因而上述也仅是及简单一说。要做上述实验,实验细节,还需细细厘定,故而关于其它地质问题的比拟实验所以不再涉及。钱学森在回答中央领导,中国是否可搞导弹时,回答:中国人不比洋人笨我们已有很好的地学独立系统的构造成果:地质力学、多旋回构造、断块构造、地洼构造、波浪状镶嵌构造等;但板块的西来,从使得本土这些成就几乎下架。我们有很好底蕴,在板块一统江山下,杨学祥、池顺良、李三忠、梁光河、毛小平、胡宝群等提出各自的动力学成果,可见中国人不比洋人笨”。因此在此呼吁有志于地球动力学研究的不同学派的学者,站在所处的立场,根据你的成果认知,拿出你的观点,以促成太空舱地球动力实验的开展。使中国地学研究引领世界,而后告诉西方那些带有色眼睛看中国进步吐酸水的洋人,你侵犯了中国人的知识产权!

11、结语

地球动力学是地球科学的一大重要问题,在无法实现地球内部取样,在无法取得对同一问题的共同认知的情况下,通过相似环境的比拟实验,在此认为也不失是一种可取的办法。太空舱中液体的收缩为球,说明球内性质的正确,是地球构造运动的第一动力;这就为其它动力比拟实验提供了可预见的可行性。在上述实验得到与理论成果相符的结论后,地球动力学研究将有质的改变,同时也为统一大家观点起到不可估量的效果。莫宣学院士在2019年的地球动力研讨会上提出,地球动力学是系统科学;李德威教授根据现有的研究成果,提出地球动力学研究的纲。可见分散的、单打独斗的,虽也在一定范围一定尺度的正确的动力学成果,看是百家争鸣,但长此以往,就可能在阻碍地球动力学的发展,进而影响构造和找矿的研究。所以学界应推动地球动力大协作研究,因此希望以此文为到来地球动力大协作研究,添些可避免或可资见的意见。在写作这一文字时,中国测绘科学研究院籍利平老师给予了资料的提供,吉林大学杨学祥老师将其著作无偿提供,池顺良老师给予了热情的鼓励,在此一并致谢!

参考文献:略




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