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地球膨胀和收缩

已有 5346 次阅读 2008-5-20 17:14 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记

冰川造成的固体地球膨胀和收缩

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

地球能否膨胀,地球是不是曾经膨胀过,历来是地学界反复和长期争论的问题。地球上具有很多地球曾经膨胀过的证据[1,2],但人类又很难找到地球曾经膨胀的动力来源。虽然廖永岩等就冰川的形成和消融对地球膨胀或收缩的影响[3],及冰川形成和消融对地球演化的影响已进行过详细的定性研究[3],但尚未见定量的报道。在这里,我们就现存的南极冰川,及新元古宙最大冰川期时的巨大冰川进行分析,计算出它们的形成和消融,所能造成地球膨胀和收缩的具体数据,并对这种现象,进行分析或推论,讨论它的地质意义。

1  地球具有均衡作用的证据

第四纪时,北欧斯堪的纳维亚地区和北美哈得逊湾地区有北极大冰川存在[4]。自15000年前冰川消融,哈得逊湾抬升了300 m。现在,这一地区仍以每年2cm的速度抬升。经计算,如果该区域要恢复冰川前的高度,并重建重力均衡,它必须再上升80m[5]。自10000年前冰川消融后,斯堪的纳维亚地区已经抬升250 m,目前仍以每年1 cm的速度抬升[5]。甚至有人估计,斯堪的纳维亚可能冰后抬升了近850 m[6]。这说明,地球,这个被岩石圈圈闭的流体球,的确具有重力均衡作用。当冰川形成时,造成重力正异常,冰川及冰川下岩石圈一道,因巨大的冰川均衡作用而下沉[7-12]。在冰川消融后,造成重力负异常,原冰川区的岩石圈反弹性上升[6,13-15]

2  南极冰川形成所造成的地球体积膨胀

2.1  南极冰川及其计算条件的假设

由于第四纪冰川期尚未完全结束,我们现在还能在南极大陆、格陵兰岛及一些高山上看到冰川,如南极冰川。

南极冰川面积1358.6×104km2,位于南极洲上,占南极大陆面积的97.6%[4,16]。冰川最高点位于东南极洲Dome A顶部 (82°S75°E),海拔4030m,冰川最厚处位于69°54S135°12E,达4776m冰川平均厚度为2450m,南极冰川总体积达2.938×107km3[4,16]

为了计算方便,我们先假设:南极冰川形成前,南极大陆没有重力异常,即那时的南极大陆处于重力均衡状态。南极冰川形成至现在的体积后,直至南极冰川及其下的岩石圈由于重力正异常的均衡作用而下沉,并至南极冰川所造成的重力正异常消失为止,南极冰川体积基本不变。

因为固体地球的体积和表面积,因高山、海沟、月球吸引造成的赤道处的突出等,其形状很不规则。这造成固体地球的体积和表面积计算相当复杂。为了计算方便起见,以下我们将冰川形成前的固体地球看成一个以地球平均曲率半径6366.740 km[17]为半径的标准球体来计算其体积或表面积。

2.2  南极冰川形成所造成的固体地球膨胀体积的计算

要计算南极冰川造成的重力正异常,就先得计算南极冰川的形成在原已重力均衡的南极产生了多少重力的增加。然后,南极冰川和南极的岩石圈一道下沉,直至该重力正异常消失,重力又恢复正常。因为南极冰川的形状不规则,计算其体积、重力及其变化相当麻烦。为了简化,我们将已知的南极冰川的体积,根据比重转换,转化为南极岩石圈(地壳)的体积。这样,只要在重力均衡的南极岩石圈上尚有南极冰川这个额外的“地壳”存在,就一定会有重力正异常存在。只有南极冰川这个岩石圈上的额外“地壳”由于重力正异常的重力均衡作用而下沉,直至和原南极岩石圈高度一致为止,该处的重力正异常才将消失。这样,就可将计算大大简化。南极冰川由冰构成,我们将南极冰川的体积,乘以冰的比重(Pg=0.9kg/L),再除以地壳的比重(Pc=2.67 kg/L[18],就可以将南极冰川的体积,转化为在原已均衡的南极岩石圈上,由于冰川的形成,而多出的“地壳”物质的体积了。

2.938×107 km3的南极冰川,相当于地壳密度一致物质的体积为:

ΔV=V×Pg÷Pc

=2.938×107 km3×0.9kg/L÷2.67 kg/L

=9.903×106 km3

V为南极冰川体积;ΔV为将南极冰川体积转化地壳密度后的体积)。

也即可将南极岩石圈上2.938×107 km3的南极冰川,看成是南极原已重力均衡的岩石圈上由于南极冰川的形成而多出的9.903×106 km3额外添加的“地壳”。只有这些额外添加的“地壳”物质,刚好沉入原来岩石圈中,重力正异常才能刚好消失。

根据以上的假设,我们将固体地球看作一个规则的球,南极冰川形成前,地球处于均衡状态,地球的平均曲率半径(R)为6366.740 km[17],此时,地球的表面积为:

S0= 4πR2 

=5.094×108 km2

S0为冰川形成前固体地球表面积)。

固体地球的总体积为:

V0= 4πR3/3

 = 1.081×1012 km3

V0为冰川形成前固体地球体积)。

这样,在原重力均衡的南极大陆上添加了现有体积的南极冰川,即添加了9.903×106 km3额外的“地壳”。只有南极大陆下沉9.903×106 km3,该处的重力正异常才会消失,重新恢复均衡。北欧斯堪的纳维亚地区和北美哈得逊湾地区的重力均衡作用告诉我们,固体地球的确有重力均衡作用存在。所以,一旦在重力均衡的南极大陆上形成如今体积的南极冰川的话,肯定会有9.903×106 km3的物质下沉。9.903×106 km3的物质下沉,这些物质将进入固体地球内部。9.903×106 km3的物质进入固体地球内部,将使固体地球体积膨胀9.903×106 km3

据计算,假设将固体地球看成一个标准球体的话,地球半径每增加1 mm 时,地球体积增加量为:

dV =0.510×103 km3[17]

因为固体地球体积膨胀9.903×106 km3

ΔR =ΔV÷dV  

= 9.903×106 km3÷0.510×103 km3

=1.942×104 mm                                                                            

=19.42m

ΔR为冰川形成前后的固体地球半径之差)。

即南极冰川形成,造成固体地球体积膨胀,地球半径将增加19.42m

由于固体地球体积膨胀,半径增大,造成的地球表面积增加量为:

ΔS= 4π(R12-R2

= 3.106×103 km2

ΔS为冰川形成前后的表面积之差,R1为冰川形成并完成均衡作用后固体地球半径)。

这说明,在原已重力均衡的南极大陆上,由于南极冰川的形成,将引起固体地球体积膨胀9.903×106 km3,半径增加19.42m,表面积增加3.106×103 km2

3  新元古宙大冰川造成的固体地球体积膨胀

新元古宙时,形成了地球演化史上最大的冰川期,也形成了地球上最大的冰川[4]。由于当时在低纬度的赤道附近,都有冰川遗迹的发现,故许多科学家认为,那时的大冰川已延展至赤道,整个地球都已冰冻,形成了雪球地球[19,20]。若真那时形成了雪球地球,我们假设那时全球的水从两极开始,逐渐形成冰川,并延展至全球,最后全球的水都已形成了冰川。也即冰川的体积相当于全球水的总体积(V1=1.386×109 km3)。

根据南极冰川计算的相同原理,即1.386×109 km3的新元古宙巨大冰川,相当于地壳密度一致物质的体积为:

ΔV1=V1×Pg÷Pc

ΔV1=1.386×109km3×0.9kg/L÷2.67 kg/L

=4.672×108km3

ΔV1为新元古宙冰川转化为地壳密度后的体积)。

因为:

dV =0.510×103 km3[17]

由于固体地球体积的膨胀,固体地球的半径将增加:

ΔR1 =ΔV1÷dV

ΔR1 =4.672×108 km3÷0.510×103 km3

=9.161×105 mm

=916.1m

ΔR1为新元古宙冰川形成前后的地球半径之差)。

由于地球体积膨胀,半径增大,造成的地球表面积增加量为:

ΔS1= 4π(R22-R2

= 1.466×105 km2

ΔS1为新元古宙冰川形成前后的固体地球表面积之差,R2为冰川形成并完成均衡作用后的固体地球半径)。

以上计算说明,假设新元古宙形成全球冰川,并且全球的水从两极开始,都逐渐形成冰川的话,造成的固体地球体积膨胀相当大,即固体地球膨胀增加的体积相当于地球总体积的1/2314。表面积增加也相当大,即固体地球膨胀增加的表面积相当于地球总表面积的1/3474

4  冰川造成固体地球体积的膨胀和收缩

根据以上的计算发现,当像南极冰川、新元古宙冰川等不同大小的冰川形成时,将造成固体地球体积不同大小的膨胀(图1a-c)。若这些冰川因地球升温而消融,原冰川形成区,又将像今天的北欧斯堪的纳维亚地区和北美哈得逊湾地区一样,反弹性上升,最终该处达到重力均衡(图1c-d)。这样,固体地球又将从膨胀状态(大体积)(图1c)变为正常状态(小体积)(图1d)。也即固体地球体积又将收缩(图1c-d)。

 

1:冰川形成和消融对固体地球体积和表面积的影响(通过两极的剖面图)

A,冰川;B,北极;C,水圈;D,固体地球;E,南极。a,未形成冰川时均衡状态的地球;b,冰川在两极形成,但均衡调整尚未开始;c,冰川已完成均衡调整,处于均衡平衡的地球,示固体地球体积膨胀,表面积增加;d,冰川消融后地球恢复a的均衡状态。

 

所以,冰川每形成或消融一次,固体地球将膨胀(图1a-c)和收缩(图1c-d)一次,即脉动一次(图1a-d)。冰川多次形成和消融,固体地球的体积将多次膨胀和收缩。其实,一次大的冰川期,是由大大小小不同级别的很多小的冰川期组合而成的[4],即每一次大冰川的形成过程中,又有多个次一级的冰川形成和消融的变化[4]。这些次一级的冰川形成和消融,同样会造成地球次一级的膨胀和收缩。这就说明,每一次大的冰川形成和消融,导致的固体地球体积的膨胀和收缩,又将包含多个次一级的固体地球的膨胀和收缩过程。地球演化历史上,虽然人类已知的大的冰川期的数目不是太多[4],但因为每一次大的冰川期,都包含无数个小的冰川期波动,所以,地球演化历史上将会有无数个大大小小的冰川期,也会有无数个大大小小的冰川形成或消融的变化。那么,地球演化的历史上,固体地球将要经历无数次的大大小小的膨胀和收缩。

因为固体地球,是由表面的固体岩石圈圈闭的球体。岩石圈,主要由花岗岩(如大陆岩石圈)或玄武岩(如海洋岩石圈)构成。花岗岩和玄武岩的抗张性均不太强。若岩石圈不破裂,固体地球体积将不可能膨胀。所以,地球膨胀时,将造成岩石圈的花岗岩或玄武岩断裂。又因为花岗岩和玄武岩的抗张性近似。所以,固体地球膨胀时,到底是花岗岩构成的大陆岩石圈断裂或是由玄武岩构成的海洋岩石圈断裂,主要由大陆岩石圈或海洋岩石圈的厚度决定。因为海洋岩石圈仅5-7 km厚,远比大陆岩石圈(30-70 km)薄,所以,固体地球膨胀时,破裂的,主要是海洋岩石圈,且是海洋岩石圈最薄处。因为,大洋中央处,总体来说,海洋岩石圈最薄,所以,固体地球膨胀时,往往是大洋中央处破裂而形成洋中脊[3]。由于洋中脊不断地形成新的海洋岩石圈,固体地球的表面积得以增加,最终固体地球体积膨胀。所以,可以说,当冰川造成固体地球膨胀时,因洋中脊处不断形成新的海洋岩石圈(面积应等于增加的表面积),海洋岩石圈增加而导致造海作用。洋中脊两侧的大陆,因两大陆间的海洋岩石圈扩张而漂移,且因漂移而不断离开[3]。这可能就是大陆漂移时的有的大陆不断漂离的原因。

当冰川消融造成固体地球收缩时,固体地球的体积将缩小,固体地球的表面积也将缩小。要使固体地球的表面积缩小,包围在固体地球表面的岩石圈肯定得皱缩。因为构成大陆岩石圈的花岗岩和构成海洋岩石圈的玄武岩抗弯曲能力近似,且大陆岩石圈远较海洋岩石圈厚。所以,一旦地球岩石圈皱缩的话,将肯定是较薄的海洋岩石圈皱缩(面积应等于减少的表面积)。海洋岩石圈的皱缩,不外乎向上形成地背斜或向下形成地向斜两种情况。向上的地背斜,逐渐演化,可转化为海岭[3]。向下的地向斜,可形成海盆,最终可能演化为地槽[3]。地槽上升,形成山或陆地。若两大陆间形成地槽而造山或造陆,两大陆将拼合为一块更大的大陆[3]。海洋中的地槽,将演化为岛链[3]。这可能就是在地球演化过程中,陆地面积逐渐增加的原因。若两大陆间因冰川造成固体地球收缩而形成地槽而造陆,两大陆将漂移,因相互向对方漂移,故通过漂移而合并,即漂合。

冰川造成固体地球膨胀时,两大陆间形成洋中脊而逐渐漂离;冰川造成固体地球收缩时,两大陆间因形成地槽而造陆,两大陆逐渐漂移而最终合并。这可能就是大陆漂移的真正原因。

因为固体地球膨胀时洋中脊处的海底扩张,不可能在下一次地球收缩时再消失;同样,在地球收缩时形成的皱褶,也不可能在下一次地球膨胀时再拉伸。所以,固体地球多次膨胀所形成的多次海底扩张具有累加性;多次收缩所形成的多次皱褶造陆也具有累加性。其实,现有的海底扩张和皱褶造陆,是大大小小多次固体地球膨胀和收缩的累加结果。也即,南极冰川和新元古宙巨大冰川也都肯定是经过多个次一级的小冰期逐渐累加形成的,它们实际上所造成的固体地球的海底扩张和皱褶造陆,远比我们上面计算的大得多。

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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有关这本书的部分相关内容: http://159.226.26.14/blog/user_index1.aspx?userid=3534

 





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