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网状周期性地球构造动力的合力场强度解释(2)

已有 3104 次阅读 2021-4-20 13:58 |系统分类:科研笔记

网状周期性地球构造动力的合力场强度解释(2)

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)

 邮箱:lwlsn1962@126.com  电话、微信  13844447932

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。

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:

   图片76.png…(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:

   图片1.png…(3-27

  图片2.png…(3-28

  图片3.png   ………(3-29

  所以引力强度、离心力强度之合力强度为:

  图片4.png    …………(3-30

椭球为图片5.png(a>b)的极坐标方程为:


    图片6.png…………………(3-31


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图片7.jpg

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:

    图片8.png   …(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:

    图片9.png   …(3-33

    图片10.png  …(3-34

    图片11.png    ………………………(3-35

(3-33)、(3-34)、(3-35)合引力强度为:

图片12.png   ……(3-36

图片14.jpg


图3-10均匀力场中旋转球体

椭球为图片13.png(a≠b≠c)的极坐标方程为:

图片15.png     ……(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:

图片16.png


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图片17.png    …(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:

图片18.png      ……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:

图片19.jpg

图3-11  周期性变化力场中旋转球体

图片20.png 3-40

图片21.png   3-41

图片22.png ………………3-42

合强度为:

图片23.png 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:

图片24.png

图片25.png    (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=3.32×10-5N,E=3.71×10-5m/s2,E=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=5.93×10-3m/s2,E=6.13×10-3m/s2,E=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=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。

图片26.jpg  图片27.jpg

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[7576],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[747576]

3.4.2  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RyuguWatanabe et al,2019)[46]

  地球自转强度E=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,发生了扭动。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。

表3-1  地球的自转

地球自转轴在空间的运动

地球自转轴在地球上的运动

地球自转速度的变化

1.地轴的旋近,黄赤交角23.5度,周期~25700年。

2.主要章动,振幅9."206,周期18.6年。

3.黄赤交角长期减小,~47"/百年

1.地极的长期迁移:70年迁移约0."2。

2.马柯维茨章动,振幅0."02(?),周期24-40年(?)。

3.钱德勒章动,振幅≈0."02,周期425-440天,衰减时间14-73年(?)。

4.季节章动:年变化振幅≈0."09,半年变化振幅≈0."01.

5.日章动,振幅≤0."02(?)周期比一恒星日少三分。

6.月章动,双周章动:振幅≈0."001(理论值)

1.长期衰减≤5×10-10/年。

2.无规则变化:(1)几百年时间,v≤±5×10-10/年;(2)1-10年期间,v≤±80×10-10/年;(3)几月几周(急剧变化),v≤±500×10-10/年。

3.短周期变化:(1)两年变化,振幅9毫秒;(2)年变化,振幅20-25毫秒;(3)半年变化,振幅9毫秒;(4)月变化,双周变化,振幅1毫秒。

地球的自转-加速度和自转速度变化


长期变化

不规则变化(最大值)

季节变化(最大值)

a(加速度)

-1.6×10-10/年

±80×10-10/

±650×10-10/

V(地球的自转速度)

-3×10-7

±500×10-10

±70×10-10

3.4.3  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=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。

图片29.png

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    

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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面;等压力面是由引力引起的,所以浮力是引力的一种特例。

3-13(a)中,密度为ρ2液体中左侧图示的自然静止长方体,浅灰白色长方体密度ρ1ρ2,长方体对液体的压力为P3。由于ρ1ρ2,侵于液体的长方体部分的内部压力大于同深度的外部压力,以长方体压力减去同等深度压力,存在压力差,这一压力差是由密度引起的,可称其为密度压力差Pρ,可以分析出密度压力差Pρ0,内部压力展布如图所示。而其底部深灰色长方体,其内部压力与外部压力同样存在密度压力差,其密度压力差Pρ可以分析出Pρ0,内部压力展布如图所示。

3-13(a),在其右侧有与左侧一样的长方体。浅灰白在上部外力F作用下侵于液体中,压力差和压力展布如图所示。其上作用力F=V(ρ2-ρ1)E,式中E为合力场强度,V为长方体体积,当图示該力不存在时,此时的-F为长方体向上运动力即浮力,而长方体质量为m=Vρ1,那么单位质量的浮力强度为:

图片30.png  ……(3-45

由于E为合力强度,(ρ21)/ρ1为常数,所以E可以称为浮力强度,其方向与合力强度方向相反;使得引力场在长方体所处位置引力强度减少了E,因而物体上浮。

图片31.jpg

图3-13  浮沉剖面示意图


当浅灰白长方体的力F去掉,长方体将如图3-13(b)示的上浮。长方体的向上运动,E的存在引起长方体上部压力增加量为△P>0质量相对增多,图中等压力线L1因此有水平如钟形上展,变为图示的L1长方体的上升,引起长方体底部压力增加量为-△P<0和物质量相对减少,使得图示的等压力线L2有水平如钟形下延为L2。

长方体上部等压面的破坏,根据球内性质必然导致,其上物质向周边运移,表现为张的运动;长方体下部等压力面的破坏,同样根据球内性质,必然导致长方体下部及周边物质予以补充,表现为汇的运动。一张一汇之间,对于处于不同位置的质点表现为不同度受力。长方体顶部的质点受力以张为主,过顶面左右后,从顶面运移出的质点因长方体下部汇的作用逐渐有张向重力作用为主的转变,同时随着质点的不断的下降,质点受力又逐渐表现为负压为主吸得作用。当长方体上升较快,因物质的黏性或摩擦作用,黏滞力出现,使得长方体周边物质也产生向上运动,在长方体周边形成类圆周运动,如图3-13(b)所示的物质运动形态。在长方体的左上或右上,流体物质的运动可以观察到俯冲,在这俯冲的运动过程中合力强度将表现的更为复杂,既有地球引力强度作用,又有下部负压吸力形成的负压强度作用。

    在图3-13(a)中,在其右侧有与左侧一样的深灰色长方体,深灰色长方体在外力F的作用下,悬于液


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体之中,压力差和压力展布如图所示。其上作用力F=V(ρ2-ρ3)E,当图示該力不存在时,长方体向下运动,向下运动力为-F,即为沉力,而长方体质量为m=Vρ3,那么单位质量的沉力为:

图片32.png   ……(3-46

由于E为引力强度,(ρ2-ρ3)/ρ3为常数,所以E可以称为沉力强度,其方向与引力强度方向同向,使得引力场在长方体所处位置引力强度增加了E,因而物体下沉。

当深灰长方体的力F去掉,长方体将如图3-13(c)示的下沉。长方体的下沉,E的存在引起长方体上部产生负压-△P<0和物质量相对减少,图示的等压力线L1因此有水平如钟形下延,变为图示的L1;而其底部压力增强△P>0和质量相对增多,图示的等压力线L2因此水平如钟形上展,变为图示的L2。此时的长方体运动,与前述长方体上浮正好相反。

从上述讨论中可以发现,俯冲带存在“负浮力”是由其理论根据的,这一理论根据是地球引力强度和负压强度的共同作用。在已有的文献中,地幔柱(或地幔羽)可能是因地震成果只发现其上升的柱体,而没有揭示因物质上升带来的其它物质运动形态展布,一再强调升的作用带来的构造现象,而忽视物质降得存在。根据球内性质,显然只重视升的作用是非常值得商榷的。对Bott et al.根据“负浮力”得出的“与其说地幔带动板块运动,不如说板块带动地幔运动”[79]313,根据上面的分析和球内性质,认为这一论断非常值得存疑和商榷。

地幔对流是一个地球动力学的热点问题,为这一问题可以所争论了许多时间,出现了两派,各持一词,互不相让,但从上面的分析看,地幔对流应当从物理进行理论上的分析,而不是各持一词。可从球内性质看,地球内部的物质运动不会是简单的上升或下降,而不产生其它的从运动形态。因此否定地幔对流和不正确的分析地幔对流的成因均不足取。后面将通过对具体事例进行论证其存在与否。

3.6.2  浮沉引起的流体运动结构的分析

3.6.1节中,对浮沉做了简单的分析,并对“负浮力”、地幔柱(或地幔羽)、地幔对流提出了自己的存惑。为了解答这些存惑,认为有必要对图3-13(b)的流体运动结构做出理论上的进一步分析。因为对称性,下面仅分析左侧情况。

图片33.jpg

图3-13-1  长方体上浮流体运动结构及动等压力面示意图(有夸张)


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图3-13(b)中近给出了长方体的初升的情况,对于上升过程中的情况并没有给出,下面讨论之。图3-13-1是由图3-13(b)初运动后的某一时刻的流体运动形态,与图3-13(b)相比,等压力面和水面均发生了改变,下面分析这一改变的成因。长方体的上升过程中,导致长方体顶面以上的流体同步运动,中间的质点在浮力的推动跃出图3-13(b)流体顶面,向上做竖直上抛,至最高后回落与后续质点相撞,形成图示的a点,由于后续质点不断,a点并不稳定,在重力的作用下开始向左右运动。从而影响左右相邻的质点的运动,影响的结果是,本应与中间质点一样竖直上升,却成质点沿如图Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ线迹,向左右曲线运动。沿曲线Ⅰ运动的质点到图示的b处,与中间部位来的质点汇合,汇合后的质点在下部质点的支撑下,在重力作用下斜下快速运动,因这种斜下会激起来自左侧的阻力,从到c点达到最低,而后斜上至d点,然后在重力的作用下,再次斜下运动到e。长方体底部因长方体上升,产生了负压,这一负压将向下向、周边、向压力小的方向地方传递。中间部位因物质的补充较之周边要慢,因而负压最大,所以由中间向外负压递减。负压影响和传递边界为图中fghkm到e,在e的质点将受到重力和负压的双重作用,“负浮力”出现,向下将沿emkhg到f运动。这样就构建了由n点始经bcdemkhg到f线迹Ⅰ,而由n始的质点并不能立刻到达f,而是一个质点推动下一个质点沿线迹Ⅰ运动。对于线迹Ⅱ、Ⅲ也可用同样方法得出,故而略去其分析过程,但对它们的形态做一简单说明,线Ⅱ因受上部做用影响稍大,在上部的形态与Ⅰ基本相似,但对于Ⅱ受上部的作用基本可以忽略,已变得如图示的较为圆滑。图示的左右各两个闭合环,它们的形成,以左侧为例,长方体的上升,因长方体和液体间存在摩擦力,液体与液体间存在黏滞力,而在环的左侧、上、下的液体向下运动,也存在黏滞力,从而使液体形成环状运动;但这种环状运动还上升的快慢有关,速度小则不存在,速度越快环越大。

上面围绕不同形制的力进行了分析,力与场有关,通过上面的分析,可以看到三种场,重力场,正压形成的正压力场,负压力形成的负压力场,三种场叠加形成了图示的流体构造运动,所以,线迹Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是三种场下的流线,不像单一场简单,这是一种复杂的流线。

现在再分析e点左上方流体的情况,由于e点受重力和下部负压力的共同作用,从而产生左斜下的合力,从而形成对e点左侧质点的支撑,这一支撑使得左上形成壅水,过壅水后液体水平。

      下面分析三种场叠加下的等压力面的形态。长方体向上运动,长方体对上部流体形成压力,压力的增大,使得物质密度增大,且加上长方体顶部物质因扩散迟滞,形成物质富集或盈余,等压力面上凸;又因长方体顶部周边先向外扩散,周边的物质不如产房提向中部的物质富集的多,因而等压力面由中部向外逐渐降低;出长方体顶面,由于质点主要受重力作用等压力面变得相对和缓。当底部的负压起作用时,负压和重力共同作用,使得等压力面开始下凹,到e点下部达到最低,负压作用使得物质的密度变小,因而e点下方等压力面降至最低,也可以看成是物质的亏损所导致。过等压力面最低点,等压力面开始在左侧上升,这是因为e点左侧的物质主要受来自右侧的挤压,一来使得物质密度增大,二来使得壅水形成,使得物质有了盈余,因而等压力面呈上升;到壅水水水头最共处,等压力面升至最高,尔后随壅水水水头降低,


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等压力面回落,最后水平。上面分析了靠近液体表面的等压力面的情况,而对处于该等压面和长方体之间的其它等压力面,等压力面的最低点将向左移。

上面分析了长方体上部的等压力面的形成,下面分析长方体下部的等压力面因长方体上升的形成。长方体的上升,使得长方体底部负压出现,负压也使得物质密度变小,由于周边物质的最先补入,而向中间部位补入的迟缓,长方体的底部负压并不相同,因而等压力面中部下凹较大,向周边下凹逐渐变小;过长方体底部,负压表现为水平作用,过上部闭环正下部,负压逐渐变为右斜下拉作用,等压力面逐渐再缓慢升高,到达闭环正下部达到最高;尔后随着负压右斜下拉的作用增强,等压力面再次下凹,到壅水正下部达到最低。此时的最低是因为形成流线Ⅰ的负压,使得外侧物质的密度降低,密度的降低和负压共同作用,因而最低。过最低后,随着压力作用的减弱和不在起作用,等压力面开始回复并逐渐变为水平。

3.7  浮沉引起的等压力面变形的具体应用分析

3.7.1  大洋中脊重力异常和“负浮力”的形成分析

关于大洋中脊的性质存在两派,一派认为大洋中脊下物质上涌具有伸展性,代表人物兰康[3]45,他是地幔对流的提出者;另一派认为大洋中脊下物质是被动性的拉张而上涌[81],两派观点各有根据证明自己的正确。在此先不评论谁对谁错,先看下面的实际资料。

图3-14[80]417-419是横过大西洋中脊上面的重力及地震剖面。自由空气异常极小,表明洋中脊是均衡,但中部对应洋中脊形态,由洋中脊最高处向两侧,自由空气异常还是由大向小变化的趋势,说明物质略有盈余;布格异常是虽然是正的,但由两侧向中部又是逐渐降低的,表明洋脊下面质量短缺,这就成了一对矛盾。这一矛盾当如何解释呢?先将图3-14的自由空气异常曲线和布格异常曲线与图3-13(b)和图3-13-1的等压力面做一对比,布格异常与图3-13(b)L2和图3-13-1长方体下部等压力面的一部分相似,自由空气异常与图3-13(b)L1和图3-13-1长方体上部等压力面的一部分相似。

图片34.jpg

图3-14  重力剖面图


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自由空气异常是实测重力值经高度与大地水准面间的高差造成的影响后,所得到的重力值与标准重力之差,自由空气异常通常用来研究地球形状和大地水准面;布格异常是实测重力值经高度校正后,在消除实测站与大地水准面之间的物质的影响和测站附近地形起伏的影响后所得的异常值,布格异常通常用于研究地球内部物质的分布。根据这一叙述,再回到图3-13(b)和图3-13-1长方体的上升,对于长方体上升,对顶面物质是一种推举,因而使得上部物质产生盈余,使得等压力面上凸;对底面物质是一种吸引,因而底部物质亏损,使得等压力面下凹。

假如洋脊是拉张性的,拉张使得洋脊处物质应当亏损,无论是自由空气重力异常还是布格重力异常,均当下凹,应当具有同向性,但事实却不是这样,可见洋脊是拉张性的非常值得商榷;但当物质由下上涌,取上涌物质某一深度一部分,这部分物质对上部物质形成挤压,使得该部分上部物质产生盈余且向周边运移;对其下部和周边物质形成吸引,物质存在亏损。从而使得这个地方正上方的自由空气异常为正,向周边则逐渐变小;而布格异常整体上为正,但因上升产生的负压,中心部位和周边并不相同或中心部位物质亏损大,由此向外物质亏损变小。这正符合了对长方体上升所产生的等压力面规律,所以在洋中脊重力异常存在双重性是必然的。从而可见大洋中脊存在伸展性,而非拉张性,之所以发现拉张性,正如3.6.2节中分析的,过b点到e点以重力作用为主,再加上过e点负压起作用,“负浮力”出现,认为洋脊存在拉张也不无道理,但这种道理是一种局部性正确认识,但基于全局,则在此认为却是错误的。这仅是一家之言,意见相左者我们可以再共同商榷,以求正确求得那唯一事实。

另外根据图1-6知,由洋中脊顶部,垂直向外热流量逐步变小,在同一深度,同质量的同样物质,体积并不相同,因而上升速度也不相同,或者根据式(3-45)浮力强度也存在差别,这也导致上升物上部等压力面上凸,底部等压力面下凹。因此图3-14中自由空气异常与图3-13-1长方体上部等压力面的一部分和图3-13(b)L1相似,布格异常与图3-13-1长方体下部等压力面的一部分和图3-13(b)L2相似是由理论根据的。分析完洋中脊,再来分析岛弧附近的重力异常。

3.6.2  “负浮力”和岛弧处重力异常的解释

     在讨论岛弧处重力异常前,先讨论“负浮力”。前面提及“负浮力”用于解释大洋中脊存在拉的现象,用于说明大洋中脊因两侧的拉力而形成。但大西洋除在西海岸中部的古巴经安提瓜到格林纳达,存在海沟和俯冲外(图1-5中ANT俯冲带),其它地方均不存在海沟和俯冲,这一情况不独大西洋存在,其它大洋也存在。自从潘吉亚联合大陆分裂以来,大西洋形成至今,大西洋一直在扩张。大西洋形成力来来自何方,洋脊在无海沟的情况下如何拉张形成?而对于太平洋的洋脊形成存在这样一个假说:大洋板块冷却密度增高,导致重力升高,从而拉动板块,使得洋脊形成,是板块驱动力[18]31,这一驱动力又称“负浮力”。问题就来了,大西洋无海沟和俯冲,为什么不存在“负浮力”,也导致的扩张呢?因此“负浮力”的形成原因非常值得商榷。仅因“大洋板块冷却密度增高,导致重力升高”而形成“负浮力”对吗?难道大西洋就



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不存在“大洋板块冷却密度增高”?显然重力形成“负浮力”,值得思考。另根据重力的特性,海沟俯冲板片,根据图1-5看,为什么只有少数先俯冲后垂直下落和先俯冲后回冲,其它处均向外斜下俯冲或斜下俯冲后又平推,这又是为什么呢?显然“负浮力”或重力成为板块驱动力的可能较小。

2018年11月14日《自然》[83]杂志最后一期发表了哥伦比亚大学,海洋地质与地球物理学组成的团队所撰写的论文。论文指出:长期以来,它们利用马里亚纳海沟地震时,所捕捉到的资料数据进行计算模拟发现,每百万年计,海沟俯冲带往地球内部的水为3×1018kg,证明地壳运动吞水量惊人。这一吞水是每当马里亚纳海沟发生隆隆声的地震时,利用地震传感器网络采集海平面一下11km处地震数据,去观测地壳30km深处的减速现象,用测量到的速度,加上已知的温度和压力等信息预估计算了这一惊人的吞噬海水量。这一发现为“负浮力”的其它成因解释带来根据,在俯冲带除重力作用外,还应存在地球内部某种原因形成的吸引力。这是因为俯冲使刚性的海底形成垂直俯冲方向的断裂,海水充填裂隙,充填裂隙的海水应当有限,唯有在内部存在吸力时,当地震发生时俯冲带的顶面和上覆俯冲带的底面间,出现大的相对运移,俯冲带在某种原因形成的吸引力作用下被拉伸,俯冲带断裂增多,而引起水被吸入地球内部。日本海洋科学与技术中心的研究也佐证了这一点。

针对俯冲带弯曲断层导致的水合作用问题,日本海洋科学与技术中心[84](JAMSTEC)有针对性地选择了位于同一三联点的日本海沟和千岛海沟作为对比研究区域,对比表明日本海沟处俯冲板片的水合程度明显高于千岛海沟处,与日本海俯冲地区强烈的中-深源地震活动性吻合。研究还得出:现今海沟与古代扩张洋脊之间的角度α控制了弯曲断层的空间变化规律,是影响西北太平洋俯冲地区板片含水量的关键因素。根据角度α的大小可将海沟处产生的弯曲断层分为两种类型,即重新激活的深海丘陵断层和新产生的断层。千岛海沟处的弯曲断层主要为重新激活的深海丘陵断层(α≈10°);日本海沟处则是新老断层的组合(α=60°-70°),这种组合更易促进水向板片内部的渗透,致使日本海沟处板片含水量相对较高,但这需要更加集中的拉伸应力。

从上面的叙述看,“负浮力”不独是重力引起的,它还包含了某种原因形成的吸引力,是一种合力。这种合力可与图3-13-1e点受力相似。对于这一“负浮力”先讨论这里,下面分析岛弧的重力异常。

图片35.jpg

图3-15  沟-弧重力异常图

图3-15[82]23为海沟和岛弧重力异常图。大洋底于海沟处以一定速度向下俯冲。在做分析前,先做如下对比。图3-15中的自由空气与图3-13-1中的长方体上部,d点下部左侧的等压力面相似;布格异常与图3-13-1中的长方体下部,d点下部左侧的等压力面相似。在岛弧处重力异常仍存在二重性。

     图3-15中布格异常相对简单,自由空气异常则相对复杂:自由空气异常从右向左到A点,质量基本没有亏损;而A与B间质量亏损较大,最低处与海沟相对应,在B与C间质量富余,


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曲线最高处与岛弧相对应;过C后质量有亏有余,基本平衡;总之自由空气异常与地形相似度很高,均衡异常基本亦如此。这种情况与图3-13-1,d点左侧,长方体上部物质的展布情况如出一辙,因此可以用长方体上浮带来的流体在长方体上部运动规律解释岛弧的成因。也进而印证“负浮力”是一种合力是正确的,大洋板块冷却密度增高形成“负浮力”是不对的。

布格异常从右向左,由高逐渐变小,对应的B处有一小的台阶,至岛弧顶部达到最小,而后台阶式增大;总体显示布格异常所对应的地体内部物质展布不均,总体表现为亏损。上面的这种分析与3.6.2节中d点下部左侧长方体下分析物质的盈亏相同,布格重力异常与等压力面也就理当相似,也就是说可以用长方体上浮带来的流体在长方体下部运动规律来解释地球内部物质展布情态。这就更进一步说明“负浮力”是一种合力,是一种含有某种原因形成的吸引力的合力。而这某种吸引力,根据3.6.2节和本节的分析应当来自大洋中脊的形成,即大洋中脊下物质向上运动。这一问题暂先搁置,后面还有讨论。

上面虽然通过比对,以及不多的证据对“负浮力”、大洋中脊以及岛弧成因给出了新解,但不排除因资料不全带来的分析错误,但总体看是比较合理的。前面还提及图1-5中,只有少数先俯冲后垂直下落和先俯冲后回冲,其它处均向外斜下俯冲或斜下俯冲后又向外平推。斜下俯冲后又向外平推的主要集中于马里亚纳海沟海沟到阿拉斯加和东太平洋。为什么出现这种情况呢?用什么动力学理论来解释呢?用重力膨胀收缩与脉动地幔分异与对流地球自转星际作用来解释恐怕均都难以解释。但用球内性质,则很方便就能得到解释,解释如下:大西洋、北冰洋形成扩张,大西洋、北冰洋下物质因某种原因由下部上涌,推动两岸背向而离,形成洋底,进而使得某一深度的等压力球面内缩,负压形成,根据球内性质这就使得它处物质向大西洋下运移,因而出现上述情况。但在印度洋的西部,非洲沿岸并不存在俯冲,且在非洲东部还存在东非大裂谷,但非洲存在了高原,这根据球内性质也可得到解释。南极洲与非洲同样的原因整体在升高。遗憾的是目前没有收集到这方面的资料,待收集到这方面资料再补齐。因而可见“负浮力”是一种含有负压的合力,不单单是重力形成。

从以上对洋中脊的重力解释和岛弧重力解释的这些叙述看,大洋下存在对流应是不可回避的,甚至大陆下存在对流也是不可回避的,至于在多大尺度上存在,后面还将涉及。

3.8  压力与粒子间距离的关系

在3.1.4.中讨论均匀物质球内部压力关系,当压力小时粒子间距离受压力影响没有显现,但当压力大时之间的距离就显现了。在外部压力作用下,分子间距离减小,使得物质的密度增大,下面就叙述这一关系。图3-16[85]表示了分子间的作用力及势能之间的关系。

图片36.jpg

3-16  分子间作用力及势能示意图



     分子间即存在经验引力公式f(r)=-μ/rt(μ为常数)和经验斥力公式f(r)=-λ/rs(λ为常数),引力将两个粒子拉近,斥力又避


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免靠的太近如图3-16所示。从而形成伦纳德-琼斯势U(r)=4ε[(σ/r)12-(σ/r)6],其中ε、σ为常数,其过程相当于电子云相互交叠,粒子存在态可更稳定[85]20-22。粒子间作用力及势能是离子键,共价键、金属键、分子键形成的根源[86]72-79晶体具有最小内能性:最小内能性是在相同的热力学条件下,较之同种成分的气体、液体及非晶体而言,晶体的内能最小。

.3.9  地球各种参数展布及地球圈层结构

地球的各种参数,主要有密度[39]88、压力[39]92、温度[39]194、速度[39]44、引力强度[39]92等,下面将它们随半径变化以图的形式给出,见图3-17。从图上可以各参数特征如下。密度:基本上台阶式线性增长,在2900km变化较大。压力:由地表到约2900km,基本上线性增长,在约2900处有一转折,先是线性增长后是类指数增长,在约2900km处压力超过140万个大气压。温度:有地表向内在浅部急速线性增长,在浅部转折后变得较为和缓线性增加,在约2900km处小有台阶式增加后,向内类指数增加。重力:由地表向内到约2900km基本没有太大变化,只是在快到2900km是小有增长,而后基本上是按线性递减;比照式(3-5),约2900km后基本线性递减,好理解,由地表到约2900km,基本保持不变,有些让人费解。速度:P波有地表到约1000km以内,虽有波动,基本上稍大线性递增,小有转折后,小梯度线性增加,到约2900km,大台阶急剧减少,而后基本上以线性递增,经一小台阶后,基本保持不变;S波由地表到约800km,虽有小的波动,但基本上线性递增,在一小转折增大后,基本保持不变到约2900km,而后速度为零,5千多km后S波再次出现,并保持速度不变。

图片37.jpg  

 图3-17 

图片38.jpg  

                                                 图3-18

除以上内容外,科学家们还对地球内部划分出了圈层[3]15,以布伦的划分被广泛认可接受,表3-2即为这一划分方案。

     壳幔以莫霍面分,幔核以古凳面分。还有一种得到公认的划分,从外而内:岩石圈、软流圈、中圈和地核,。岩石圈由上地幔上部刚性部分和地壳组成,厚度100-200km;软流圈位于岩石圈以下100-200km之

 

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下,是一低速层,底界面深度在350-500km间变化,软流圈下又是刚性的地幔。地球的圈层结构见图3-18。

从上面的分析可以得出,上述各参数具有圈层性变化,约2900km是所有参数变化改变的重要节点,密度、压力变化特点符合前述由外而内增大的规律。这一规律,特别是密度的变化规律,根据地球是由星云物质形成的,显然星云物质不可能依密度的大小依次堆积。更何况根据陨石矿物种类统计,陨石矿物不超过140种,而地球上目前发现的矿物远超140种,所以在地球形成过程中和形成后,所有粒子将通过形成后的环境再组织,才有时下的地球,因此下面对地球形成过程加以分析。

表3-2  布伦的地球内部分层方案

地层

深度范围/km

K.E.Bullen,1975

F.Press et al,1982

Vp和Vs特征

地  壳

A

0~33

0~33

复查

上地幔

B

33~410

33~400

梯度正常

C

410~1000

400~670

梯度较大

下地幔

D'

1000~2700

670~2885

梯度正常

D"

2700~2900

约2885

梯度接近于零

外  核

E

2900~4980

2885~4640

Vp梯度正常,Vs为零

过度区

F

4980~5120

4640~5155

不详

内  核

G

5120~6370

5155~6371

梯度很小

 

从上面的叙述看,地球存在圈层,圈层的形成正是球内性质的作用,但球内性质是如何起作用,使得地球具有了圈层,这正是下一步要讨论的。

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4  热运动理论

地球内部是热的,相当一部分学者认为地幔存在对流。地幔对流最早提出者是费希尔,尔后不同时期,不同学者承认热的作用。去年我国学者达成“水平运动和俯冲的驱动力来至重力和地球内部热力”的共识[5]309运用热理论解决问题,微观上离不开统计物理,宏观上离不开热力学定律和力学原理。其相关理论简述于下:

(1)统计物理学指出:宏观量是相应的微观量的统计平均值[87]9。如密度、压力、速度、能量等宏观量

①经典物理范围内,温度的微观意义:温度是物质热运动强度的量度,是分子不规则运动平均平动动能的量度。每一平动自由度的平动动能

图片39.png …(4-1)

式中:图片40.png一个平动自由度的动能,k玻尔兹曼常数,T绝对温度,i自由度(下面相同符号不再标注)

②一个平动自由度动能与相应平动速度的关系:

图片41.png  …(4-2)

式中:图片87.png为平动一自由度速度,m粒子质量

③平衡态粒子数分布[85]85

式中:图片42.png平衡态粒子分布的量子统计有三种:费米-狄拉克(FD)、玻色-爱因斯坦(BE)和介于经典统计和量子统计之间的麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)统计。

图片43.png

图片44.png

图片45.png

式中:α为常数,j能级,N能级分布

④麦克斯韦速率分布律[85]60

理论研究知EXP(α+εj/kT)远远大于1,因本文非定量分析,所以认为平衡态时所有粒子分布,均遵守麦克斯韦--玻尔兹曼(MB)统计。粒子的速率分布律为:

图片46.png …(4-3)

图片47.jpg

4-1  麦克斯韦速率分布律意


4-1是式(4-3)式图示表达

(2)宏观量的热力规律

     ①热力学第一定律[85]212


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图片48.jpg …(4-4)

U为内能,Q为吸热,W为功,N微小系统粒子数的增加数,μ化学势

图片49.jpg

4-2  一般物质相变关系示意图


    ②热力学第二定律为:不可能把热量从低温物体传到高温物体而不产生任何其它影响(克劳修斯)。克拉珀隆方程为热力学第二定律的直接推论为[93]339


dp/dT=l/T/(v1-v2)…(4-5)

式中:l为相变潜热v为物质比容,p为压强

4-2是一般物质的相变示意图,它直观反映了压力、温度、体积之间与物态的关系。

③熵增加原理[85]203:当系统从一平衡态经绝热过程到达另一平衡态,它的熵(s)永不会减少;若过程是可逆的,则系统熵值是不变的;若过程是不可逆的,则熵值增加。其数学表达式如下:ds≥dQ/T

④热力势-亥姆霍兹和吉布斯自由能[85]210-212亥姆霍兹自由能态函数定义式为F=U-TS,一系统获得热能对外做功,其做功大小为W对外≤-△F,该式表明:系统只从一个热源吸收热量,并初终态温度等于热源温度的条件下,系统对外做功小于等于亥姆霍兹自由能F的减少;当过程可逆时,系统对外做功取最大值,它等于系统F的减少;当过程不可逆时,系统对外的做功小于F的减少量。

吉布斯自由能态函数定义式为G=F+PV=H-TS=U+PV-TS(此处V为体积),其中态函数焓H=U+PV,当系统膨胀做功时△G≤0(可逆取等号,不可逆取不等号),△G≤0意义为:一个系统若只有体积膨胀做功,且与温度确定、压强确定的环境有热接触和力相互作用,那么这系统达平衡态时吉布斯自由能取极小值。

⑤化学势[85]212-214:在费米-狄拉克统计中,能量为ε的一个单粒子态被占据的概率为f(ε)=((EXP((ε-μ)/(κT))+1),μ为化学能,而该化学能对于系统有多种粒子,与自由能、内能的关系为:

图片50.png (j=1,2,…,j≠i)…(4-6)

式中:μi是系统第i种粒子的化学势,Ni是系统第i种粒子的粒子数

图片51.png …(4-7)

       当系统为多相组时:

      图片52.png …(4-8)

式中:图片53.png指第j相中第i种成分的化学势,图片54.png第j相中第i种成分的粒子数。


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5  地球成长过程及热运动

2001年澳大利亚学者Wilde et al报道了在西澳太古宙沉积岩中测得年龄值为4.4~4.2Ga的碎屑锆石,在其附近的沉积变质岩系中发现了一些由生物变质而成的有机碳。这也就说明了在这之前开始有了形成地质记录的条件,那就是原始地球已开始变凉,大规模星云物质汇聚原始地球已结束。所以可以认为:以地球年龄4.552Ga计(Rb-Sr法,Stassen,2005)[79]27-29,陨石在1.52~3.52亿年间,因此影响地质记录的陨石汇聚地球基本结束。

马学昌的成果,丰富了地球演化学说的内容,增加了对太阳系行星元素分布的新知识,以及行星吸积形成的再认识,但对地球具有圈层,也是同其它学说一样:“以分异过程或对流”一语概之,可见对分异和对流即重视又忽视。学说认为50亿年前完成吸积,其中的物理化学过程基本没有涉及,但其它关于地球吸积的学说也有一定的理论依据,事实虽仅有一个,可人们的认识确有别,因此在此保守认为地球吸积主要集中于存在地质记录以前,即4.4~4.2Ga。

地球是宇宙大爆炸后由太阳系星云物质吸积而成,前面已对陨石与地球的主要化学成份做了统计,与陨石的主要化学成份及质量含量基本相同。但各种陨石间成份存在较大差异,陨石有40多种矿物在地球上不存在。地球通过演化:大陆物质以硅铝物质为主;大洋物质以玄武岩为主,其上分布有花岗质小岩体和沉积物等。地球生热存在以下四种方式[39]167-170①放射性生热;②地球凝聚时一部分引力位能转换为地球内部热能;③地球凝聚时一部分重力位能转换成地球内部热能;④地球的旋转动能转换成内部热能。在球内性质的规范下,经过数亿年的演化,具有了圈层,以及图3-17的由地表到地心的速度、密度、压力、重力、温度展布

通过上面的叙述,不难得到得出,地球在形成过程有以下问题发生:星子间发生完全非弹性碰撞,机械能转化为热能(位能一部分)和前述四种产生;随碰撞增加地球半径增大、热能增多、发生物理化学变化。

高温高压下的固相,许多学者认为是不可能产生对流的,但当同类物质,受热不同,粒子间的距离必不同,从而产生密度差,根据方程3-45),浮力强度产生,浮力强度减弱该部位的引力场作用,持续的供热,便发生3-13(b)和图3-13-1的运动,因此从理论来说对流可以产生,但对流速度非常缓慢。这也是本部分将高温高压下的固相,视为可以进行对流的原因。1-5的俯冲接近或超过1700km,也可证实地幔对流的存在,固相并不能影响对流

5.1  地球成长过程

     星云物质集聚成地球有冷热两种观点,通过对前面均匀和不均两种假说-比对认为:当某一较大星子对其附近星子的引力作用强时,引起附近星子撞向这一较大星子,使这一星子引力强度更大,对其附近星子作用力更强,撞向这颗星子数量将如图5-1由A点到B点快速增长,在增长的同时,物质堆积过程中遵

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守球内性质,形成球形,并伴随始终。随时间推移由B点到C点将更密集和更多,因其周边星子的有限性和其它行星球也在形成中,到一定时间后撞向地球的星子达到高峰即C点,尔后随时间推移撞向地球的由C点到D点又快速减少,由D点开始更加迅速减少,直至偶尔有陨石物质落到地球。这一过程是一个复杂的天体力学过程,与整个太阳系力学平衡有关。但这一过程是一个位能迅速转变为热能的过程,其它能使地球升温的,作用不如撞击使地球升热来的明显及迅速,可核素衰变产生的热也不应忽视。

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5-1  地球成长过程



下面通过引用一些文献,来佐证地球形成的复杂性,以方便认识星球的形成过程。

下面整段引用文献[46]。3-0中,小行星RyuguBennu的表面可以清晰地看到岩石碎屑。小行星Ryugu存在普遍的2.7μm吸收峰,说明其表面广泛分布含羧基的矿物(Kitazato et al., 2019)。此外,Ryugu的可见-近红外光谱与经历过热变质的CI1型碳质球粒陨石和遭受一定程度撞击发生脱水反应的CM2型碳质球粒陨石比较相似,暗示Ryugu可能经历过一定程度热变质或较强烈的撞击(Kitazato et al., 2019)。综合目前对Ryugu地形地貌、物性和成分等方面的探测结果,认为Ryugu的母体曾经历过水蚀变、热变质和多次撞击,最终由撞击形成的碎块重新吸积形成了现在的Ryugu(图5-1-1),从而说明Ryugu并不是理想中最原始的星子(Sugita et al., 2019)。

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5-1-1 Ryugu形成的示意图(Sugita et al., 2019)。最初吸积形成的Ryugu母体发生过强烈的水蚀变,由于26Al衰变和撞击加热,导致该母体发生脱水,同时导致母体破碎。撞击形成的碎块重新吸积形成小行星,可能后期还经历过较强的撞击从而形成现在的Ryugu

     

     同样在在小行星Bennu上,具有含水矿物的2.7 um吸收峰(图5-1-2c),该吸收峰明显强于Ryugu,说明Bennu上的含水矿物比Ryugu丰富(Hamilton et al., 2019)。根据可见光—热红外波段的光谱特征,Bennu与CM型碳质球粒陨石最相似(Hamilton et al., 2019)。Bennu现在的大小并不能维持液态水,说


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明这些水可能来自更大的母体,该母体经过多期次的演化形成了Bennu (Hamilton et al.,2019),这与Bennu现在的表面特征、物性等观测结果相符。目前认为,Bennu的早期的自转速度比现在快很多,而且其自转速度和表面的物质会随时间不断演化(Barnouin et al., 2019; Scheeres et al., 2019Walsh et al., 2019)。最近还发现Bennu表面持续喷射出碎块,通量可达150克/秒,这些喷射出的碎块还会被Bennu重新捕获成为它的卫星(Hergenrother et al., 2019),具体原因仍有待进一步观测和研究。

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5-1-2(a、b)Bennu表面不同大小的岩石(Walsh et al., 2019);(c)Bennu与不同碳质球粒陨石的光谱。2.74 um处为Bennu吸收峰位置(Hamilton et al., 2019)


Ryugu呈扁圆形(图3-0),密度仅为1.19±0.02克/厘米3,表明其具有高孔隙度特征,与Cb型小行星相符;Bennu形态与Ryugu接近(图3-0),密度与Ryugu相当,也为碎石堆结构(DellaGiustina et al.2019),推测Bennu内部同样主要由岩石碎块和孔隙组成(Scheeres et al.2019),除此之外Bennu的低纬度区域还具有低高程和低坡度特征(Barnouin et al., 2019; Hergenrother et al.,2019Scheeres et al.,2019)。Bennu撞击坑年代学统计表明Bennu表面的年龄为1-10亿年,早于Bennu成为近地小行星的时间(Walsh et al.,2019)。Bennu的表面可见大量米级大小的岩石(如图5-1-1),然而,热红外光谱、雷达和热惯量探测结果则支持Bennu表面可能覆盖了一层表土(DellaGiustina et al.2019Lauretta et al.2019)。Ryugu和Bennu最新的探测结果表明,小行星虽然体型小,但仍然存在复杂的地质活动和演化历史,更精细地认识还需返回样品的实验室分析来进一步厘定

从上面通过对文献[46]引用,看地球的形成过程,应当与上述情况类似,根据前面叙述的约6.6Ga前,超新星爆发喷发出了一大团炽热的弥漫星云,其中含有了六千余种核素和大量的质子、电子等微小粒子,由这些物质,在引力作用下形成若干星云团。星云团中的六千余种核素和大量的质子、电子等微小粒子也在引力作用下,遵守球内性质先是形成小的星星,且升温,如图3-0,它们的形成过程如图5-1-1。因核素、质子、电子等微小粒子径向展布不同,所形成的小星星,大小不一,性质不一。中间部位星星形成恒星,远离中心部位的小星星形成大的行星,其中地球就脱胎于这一过程。小星星在堆积过程中首先要遵守球内7性质,因小星星来自不同的方向,使得所有星体均存在自转,当然地球也不例外。为了更近一步说明地球的形成过程,下面再介绍美国莱斯大学Grewal及其合作者,关于地球的CNS来自大撞击的研究[88]相关成果2019年1月23日发表在Science Advances上。

    地球挥发分和生命的起源一直是地球科学研究的热点。C、N、S和H(水)是典型的挥发性元素,也是组成地球生命最重要的元素。但是,原始地球形成时因其形成位置在雪线(约3 AU)以里,理应亏损这


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些挥发性元素,现在的地球是从何处获得的挥发分?从地球演化模型看(图5-1-3),主要有三种可能:(1)构建原始地球的初始物质富含挥发分;(2)大撞击带入;(3)后增生加入。现有的实验结果和理论预测最有可能的是大撞击带入,但缺少更多的证据作者借助高温高压模拟实验和计算机模拟技术,认为地球挥发性元素来自大撞击,从而解释了硅酸盐地球异常的C/N比值

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5-1-3地球早期演化示意图。(a)原始地球是一个足够大的天体,其核幔分异的时间可早至4500 Ma前;(b)~4500 Ma在地球核幔还未完成分异时,一个火星大小的天体撞击了地球,形成了现在的地月体系,该事件称为大撞击(Giant impact);(c)在较短的时间内地球核幔完成分异,地核的ew约为-2,地幔的ew约为0.15;(d)~4500-3800 Ma,有不断的小行星撞击早期的地球,加入大量球粒陨石,该事件称为后增生(Late veneer),其主要证据是地壳样品的铂族元素异常;(e)后增生加入的物质导致地幔的ew降低至0,同时可能还存在未充分混匀的原始地幔(如格陵兰Isua的岩石)(Kleine, 2011)


硅酸盐地球的N、H同位素组成CI型碳质球粒陨石相似,说明CI型碳质球粒陨石可能是N、H挥发分的主要来源。前人设计的含C-N(无S)和C-S(无N)的金属硅酸盐体系高温高压配分实验表明,C在金属和硅酸盐的分配系数大于N和S,在地球核幔分异时C相对于N和S更多地进入地核,硅酸盐地球的C/N比值应该低于碳质球粒陨石(Li et al., 2016),但实际情况相反,硅酸盐地球的C/N比值约为40±8,明显高于碳质球粒陨石的C/N比值(16-24),这该如何解释

Grewal及其合作者设计了更符合实际情况的含C-N-S的金属硅酸盐高温高压配分实验,研究发现:当金属和硅酸盐分异时,在相同温压条件下,随S在金属熔体的含量增加,N在金属和硅酸盐熔体的分配系数的降低程度明显小于C(图,5-1-4),说明通过含S(大于20 wt%)金属的核幔分异作用,硅酸盐地球的C/N比值可以升高,即硅酸盐地球C/N比值偏高是因为富S的核幔分异所致。

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5-1-4,N和C在金属和硅酸盐熔体的分配系数与金属熔体中S含量的相关性。(A)在相同温压条件下,N在金属和硅酸盐熔体的分配系数随S在金属熔体的含量无显著变化。(B)当金属熔体含N时,C在金属和硅酸盐熔体的分配系数随S在金属熔体的含量增加,存在一个数量级的降低(Grewal et al.2019)

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5-1-5 C-N-S通过大撞击加入原始地球的示意图与撞击体化学成分和大小的计算机模拟。(A)一个C饱和与富S核部的撞击体加入贫挥发分的原始地球的示意图;(B)撞击体金属与硅酸盐比值与全岩S含量与撞击体金属核S含量的相关性;(C)撞击体全岩C含量与全岩S含量及撞击体金属与硅酸盐比值的相关性,其他球粒陨石也投在图中作为对比;(D)撞击体的质量与火星大小相当(Grewal et al., 2019)

 

     使用新的分配系数,对撞击体的性质和混合过程进行了计算机模拟,表明撞击体的大小与火星相当(图5-1-5)。此外,还对挥发分加入的时间进行了制约,弥补了此前最新的Grand Track模型(Walsh et al.


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2011)在时间制约上的缺陷。综合以上证据表明,地球的C、N和S来自于火星大小的天体撞击原始地球、形成月球的大撞击事件。

通过上面大段的资料引用,可以看到地球存在目前的状态,是由一个非常复杂的动力学过程而形成的,除比较肯定的球内性质动力外,地球在热运动方面还需认真对待,热运动运动规律之所以认真对待,是因为“小行星虽然体型小,但仍然存在复杂的地质活动和演化历史一定程度热变质[46],以及大气的形成和地球具有圈层构造。这些的存在无一不关系到热的作用,所以既然存在热运动,就必须直面面对。

5.2  地球成长温度及相态变化

随星云物质如图5-1-1示撞向原始地球的增加,半径增大、温度持续整体升高,易挥发性粒子进入太空。内部碰撞面上温度最先升高,所以温度并非处处相同,根据热学第二定律高温处热能将通过辐射、传导、对流、声子、激子向低温处传输;表层同时向外太空辐射,比照图3-17温度变化,推测温度随半径的变化如图5-2所示。

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图5-2  地球生长温度、相变过程示意图

对原始地球内部,随星子的在原始地球的增加,一部分动能转化为热能,使得地球升温,内部根据均质物质球内压力公式3-12,知压力也将持续变化,当然变化的还有合力强度和位能。由于形成地球的物质来源于不同性质的星子,此时的地球内部并不具备椭球形等压力面、等合力强面、等位能面,有也只能是准标准性的椭球面。在这高温高压下的粒子根据克拉柏隆方程(4-5)和图4-2,物质发生相变,其推测如图5-2方框所示。如果是冷星云物质可以推测刚开始的撞击所引起的物质温压变化,将导致物质塑固共存,随着星云物质的增多,内部温压进一步增加,高温高压下的固体--固相出现;固相伴随星云物质的增多将持续增多,压力超过140万个大气压将出现超固态。当物质处于在140万大气压下,物质的原子就可能被"压碎"电子全部被"挤出"原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大,这就是超固态超固态是物质在空间内整齐的,紧密排列的具有超流体性质的一种物质[92][93]356如果星云物质是热的,可以推测,撞击后温度更高,物质将更多的表现为更强的液态性或塑性,随星云物质的增多,温压升高,高温高压下的固体--固相也将出现。

    原始地球吸集到图5-1C处,温度如图5-2a升至最高T0,表层出现液体物,至少表现为塑性;而后随时间发展过图5-1C处陨石逐渐减少,以至近于无,过图5-1C处温度随逐渐下降,大气中的部分粒子回落


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地表,表层粒子粘度逐渐增大,直至变成固体,其下为塑性体,地质记录产生,内部温度也同步调整,变化规律如图5-2b。温度降低,根据克拉柏隆方程(4-5)和图4-2,固相将向地表延伸,因降温而成固体的地表也将向下延伸,两者之间的物质根据克拉柏隆方程(4-5)和图4-2,也将由液态向塑性转变。

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图5-3  地球聚集过程过球心剖面示意图


5.3  地球成长内部变化分析

根据万有引力定律,质量大的星子所形成的引力场强度大,对周边星子引力大,可以推测这个质量大的星子可以是前面任意一种性质的陨石,而欧阳自远等老师(1995、2002)研究认为最初的集聚是由直径大于3000km的M或L群进行集聚的。因为星子的空间展布,不可能是按铁陨石、铁石陨石、石陨石由内而外顺序展布,是随机展布,因此在集聚过程中,其它类型的星子,也将随机的集聚到原始地球上。

当少量以M、L群为主的巨星子星子聚集后,依照引力线方程(3-23)和方程(3-24),星云物质进行堆砌,虽不能马上以密度的大小形成圈层,但原始地球形态基本为球体,如图5-3a(相当于图5-2a的T)所示。星子碰撞接触面上升温急剧;形成升温带,升温带上星子出现塑性、甚至液化,并向太空辐射热能。在图示细线圆上,因M群星子密度大于L群星子密度,所以压力G1>G2;温度升高,粒子间距离增大,存在压力Pr1>G1Pr2>G2在接触带不同位置,温度存在差别(如图中tx);所以热力Ppr化学势图片63.png存在差别。由于这些不同,处于升温带的粒子间,根据前述热力学第一、二定律,将发生强弱不同的物理的化学的变化,这些变化是在新环境下粒子的重新再组织。

    如图5-3b(相当于图5-2aTa)所示,当星子继续撞向原始地球,原始地球温度整体升高,对外辐射增强,接触带温度相应增高,接触带熔融物大量出现,重新再组织能力变强。内部常温下可为液相的,因压力增大,可能出现固相。由于是开放系统,高温处对低温处做功,从而有局


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部小的对流趋势。化学势虽进一步增大,但还不足以引起粒子从新再组织发生和按视密度大小分离。

当撞击原始地球星子又进一步增多,如图5-3c(相当于图5-2cTb),前段所述的各项得以又进一步加强。依据球内性质6,物质将发生运移,也就是形成浮与沉的运动,运动形态开始如图3-13(b、c)所示,但当上升的快时就形成图3-13-1的运动方式,再快时运动将更为复杂。但考虑这种球内内部运动较为缓慢,认为在球内以图3-13-1的运动方式为主。这种运动根据对流的概念,应是一种受迫对流。此时对流形成,对流上升的最高点为热力与上覆压力相等处。重新再组织能力更大,使各种粒(离)子得以更大的混合,同时造成化学的、原子集合的、密度的分异。在合力强度作用下,密度大的底部脱离对流,密度小的顶部脱离对流,如图5-3c中所示,这种运动使星子物质一分为三。脱离对流的大密度物,以铁居多,其中包括重核素U、Tu、Pu。

撞击原始地球星子再进一步加大,如图5-3d。前述所有变化得以又进一步加强,并可能出现对流的合并,对流在径向上扩展至地表,同时出现新的对流。扩展至地表的对流,因途经的球面加大,途经的地方物质加载其中,下降流在返回途中将在深度不同位置卸载物质,以确保同一半径下质量、力的准平衡,即在满足合力强度线方程。分异出的大视密度的物质增多,使其内同一球面引力不平衡,引起球内小密度物质外迁,大密度物质内迁,汇向球心方向。

外迁的物质将形成陆壳,位能增加,内迁的部分将形成地核,因位置降低,位能转化为热,而使球内部增温,这也是地温梯度形成的一个重要原因。星子撞击地球接近图5-1的C点,撞击地球陨石又增加,前述所有变化得以又进一步加强,不同的对流合并再加剧,粒子的重新组织更剧烈,所有的星子几乎消失,分异出的小视密度物质均匀的布满原始地球表面。

撞击原始地球的达到图5-1C点,温度升到T0,达到最高,前述所有变化得以又进一步加强,热运动更剧烈,几乎所有星子熔融,对流进一步合并,分异将更剧烈。此后地球内部的热能的增加,将以放射性放热、引力位能转换为热能及地球的旋转动能转换为热能。

随着星子撞击撞击减少,机械能转化减弱,原始地球将从最高温T0转为温度持续下降图5-2b(TKTn)。地球表层先是粘度增大,进而变为固体,下部变为塑性,随温度下降连续不断的下延;而下部的固相随温度下降上延。降温的另一方面大气中部分粒子,受引力作用回到地球表面,发生固化和液化。

在上面的分析中,可以看到三种不平衡:在地球形成过程中物质展布的纵向和横向的不平衡,同半径上的压力不平衡及离子间的化学不平衡。这三种不平衡当影响着物质的运动。同时有学者称:据估计,地核在4.3Ga前已经形成3/4,地幔几乎成为为固体,但是地幔内部的热对流仍十分强烈;大气圈在4.4Ga前基本形成,其质量已达现在的85%左右,以CO2为主的大气,其温度曾经达到500~600℃,大气压力相当于现在的300倍,与现在的金星相近(阿莱格尔,1989)[79]29

    在格陵兰、北美、加拿大、南极东部、中国华北和法国等大陆上,先后都发现了距今3.8Ga左右时期


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形成的古老陆壳,说明最晚在距今3.8Ga左右全球的陆壳已经形成。在格陵兰西部片麻岩体内发现了年龄3.65Ga的岩层,在其附近找到了年龄3.77Ga的变质砾岩,其成分和结构表明它曾是陆壳上的沉积岩(阿莱格尔,1989)。辽宁鞍山附近发现年龄3804±5Ma花岗岩古陆壳的残块;冀东、迁西岩群铬云母石英岩中,发现年龄3.72~3.65Ga的碎屑锆石(liu.等,1990);而大面积的洋壳至今没有发现[3]13从这些史料看,在地球形成的过程中,热运动、分异都是客观存在的。

上面物质的分异涉及到了对流,然而分异又将涉及到物质的组成,下面将继续讨论。为了便于分析和叙述,下面将前述分为三个阶段:Ⅰ阶段,星子聚集由稀疏过密集,到星子减少,原始地球整体升温,并保持不变阶段;Ⅱ阶段,星子减少到极稀疏,原始地球地表开始降温,无地质记录阶段;Ⅲ阶段,星子减少到,已属偶尔,降温形成地质记录直至现代。


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6  、统理论在地球形成Ⅰ阶段的过程的作用

阿莱格尔在其著作《活动的大陆》[89]142一书中,将大陆形象的比做“漂浮在地球上的泡沫”,以对流的理念,在第八章用一章的篇幅论述这一问题。他写到:

地幔位于我们脚下50多公里的深处,因而只能通过各种间接方法来认识地幔的性质;而陆壳则不同,它出露于地球表面,借助切割山脉的大断层和深谷,可以观测到地壳很厚的一层,所以对它的化学性质也容易了解。大陆岩石有着不同的岩石性:它或者是沉积岩,或者是花岗岩和变质岩。沉积岩于陆地表面构成薄薄一层,而更为多见的花岗岩和变质岩通常分布在较深的部位上。地幔由橄榄石构成。橄榄岩内,橄榄石矿物的含量极为丰富。大陆地壳大部分由花岗岩构成,花岗岩内,石英和长石这两种矿物占绝对优势。地幔和陆壳在化学上的这种差异具有决定性的意义。石英和长石是轻矿物,而橄榄石是重矿物。大陆地壳大部分由石英、长石构成才得以“漂浮”在由橄榄石构成的地幔上。归根到底,正是由于这个原因,陆地才幸免堕入到可怕的地幔漩涡中去,象泡沫一样漂浮于地球表面之上,永久地记录下地球动荡的历史。

构成大陆地壳的化学成分要是不具备这种基本的漂浮性质,那么就不会拥有重建地球历史所需的档案材料,地球也也就只会记录下近两亿年中发生的事件。

因而,若不努力了解陆地这种记忆装置的结构,以及大陆地壳这种薄壳体如何从活跃、激荡、充满生气的地幔中分异出来,则对地球基本活动机制的认识就会是很不完全的。为此,将地球视为一个巨大的化工厂。这个化工厂不断地对一系列均含有元素的复杂化合物(硅酸盐类)进行搬运,使之转变、混合和发生分异。好比有机化学是碳元素及其化合物的化学一样,地球化学是硅元素及其化合物(是硅与大量存在于地球上的其它十种元素--首先是氧--化合而成)的化学。碳及其化合物化学支配着生物的整个进化过程,同样也只有取得对硅及其化合物化学的了解,才能够认识支配着地球全部演化的那些机制。

这三段表达了如下问题:1)在地球形成的过往中,发生了物理化学作用;2)小密度物质在浮力的作用下发生向表层迁移;3)浮力作用改造了原始的地球具有圈层结构;4)热在地球构造中起着不可忽视的作用。

6.1  热、统及引力在地球形成的作用过程中综述

[1]原始地球的三种不平衡,由热运动理论知:粒子平动动能与温度的关系为式(4-1),平动动能与粒子平动速度关系为式(4-2),平动速度分布符合式(4-3)。宏观上,由于原始地球吸积成长是一开放巨系统,三种不平衡通过热力学第一定律(4-4)联系在一起。升温意味着内能的改变,依据熵增加原理,系统的熵必增加,自由能改变,对外做功W对外≤-△F;各组份间的存在的(4-6)、(4-7)、(4-8)式化学势,引起粒子间重组,使之具有最合适内能,即伦纳德-琼斯势,因而释放能量。各种粒子于不同温度压力下存在式(4-5)的相变。

   表2-1中元素是形成地球主要元素,陨石中氧最多,铁次之,硅居第三。因新环境导致40种陨石矿


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物而消失,这证明了开放系统中的化学势的作用。表2-2列出了地球主要元素的展布以及它们的离子半径及单质密度。但根据对地球形成过程的分析,物质在径向展布上,最初的地球物质展布应是无规律的,而时下有规律的展布是通过物质的迁移而实现的。要实现这一过程需对物质的结构做一粗的简要的分析。

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图6-1[89]143


物质由原子构成,而原子又有核和核外电子构成。原子质量几乎全部集中于核部。核部带正电,电子带负电,电子绕核运动。异性电荷相互吸引,以确保整个原子的稳定。核外电子数随核的复杂程度而改变,这样就形成了不同的元素;不同元素有着不同的核外电子展布,核部正电对核外电子的约束各有不同,一部分元素失去电子而成正离子,一部分元素获得电子成为负离子,从表2-2中可以清楚的看到元素失去电子,半径减少很多,而得到电子的一方,半径增加很多,但基本上并不影响本身的质量。正是这种电子的得与失,促成了相同元素与不同元素间的组合,或多种不同元素间得组合,从而形成形形色色各种物质。它们具有不同颜色、密度、硬度、形态、性质等。而这一切均源于它们的在组合过程中所具有的,所形成的内部结构。其中一大类是硅酸盐类矿物。

    硅酸盐的形成离不开硅氧四面体。硅元素可以和四个氧原子结合形成四面体结构,如图6-1B。硅居于中央,四个氧处在边缘部位上。根据表2-2的离子半径数据,依球形计算,单个氧离子体积是单个硅离子体积的37倍;因此,因电子云的叠加,硅可以稳定的居于四面体的中央,硅起到联接四个氧的作用。从


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而形成一带负电(4-)的正四面体,是一复合离子。硅氧四面体通过共用氧,而形成硅氧四面体链,这种链有环状、链状、层状及架状,一个硅氧四面体为岛状;因而才有了岛状、环状、链状、层状及架状硅酸盐[90]202-261。这些状态是带负电的复合体,与不同阳离子结合才能形成矿物。

如图6-1C,橄榄石是岛状硅氧四面体,与具有小半径阳离子结合而形成的多元素化合物;辉石是硅氧四面体链,与大离子半径元素形成的多元素化合物。前者结构紧密,后者结构松散,从而使得橄榄石密度大,辉石密度小。架状硅酸盐较之链状硅酸盐,结构更为松散,密度一般较之辉石小。

岩浆岩研究表明,造岩矿物主要有:石英、正长石(或微斜长石)、斜长石(更长石、中长石、拉长石)、黑云母、角闪石、辉石(斜方辉石、单斜辉石)和橄榄石。以氧化物计,可以清楚看到硅氧在岩浆岩形成中的作用。在图6-2左图中随着SiO2含量的增加,FeO、MgO呈递减;Na2O、K2O逐渐递增;CaO则由一开始为零到SiO2含量为45%达到最高,而后如图示递减;Al2O3也由一开始为零,SiO2含量约为48%之前如图示增长,在SiO2含量约为48%时达到最高,而后缓慢减少,在酸性的花岗岩类,图示也不低于13%。上述规律使得岩石有基性到酸性,密度由高到低。图6-2右图进一步从矿物组合的角度反应上述关系。这些关系应是前述三种不平衡向平衡运动的结果;也是物质迁移的证据,或存在对流的证据。

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图6-2[91]11-12


正是由于离子半径的不同,单质密度的不同,使得:氧、硅、铁、铝、镁、钙、钠、钾等,这些主要造岩元素在新的环境下或着说在化学势的及热作用下形成矿物,密度或性质相近的形成粒子集团。

钾、钠、钙离子半径大,形成的各种粒子密度较小且相近的小密度粒子集团;铁、镁离子半径较小,形成密度稍大的中密度粒子集团;而由于铁较多,难免有剩余,从而形成铁单质或与其它粒子结和的密度较大粒子集团。这样就形成的粒子集团的三分,这应是陆、幔、核三分的物质基础。根据表一,小密度粒子量最少,中密度和大密度粒子的量相当。易挥发粒子,形成大气,因此与构造形成关系不大,下面的论述不做涉及。图4-1右侧高速平动的的粒子,能形成小的远高于平均温度的小球;这种小球相遇形成大球,应是图1-6热点形成的基础。

[2]原始地球对陨石不断吸积,半径不断增大,温度越来越高。因向外部空间释放气体及辐射热能,温度梯度形成;温度升高,物质的黏度下降,根据前述要引起粒子的迁移。


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根据球内性质和表一数据看,铁的密度大,铁不可能完全形成化合物,即便形成化合物也是大密度的,依据球内性质6,大密度物质将按照图3-13(c)内迁。已成原始地球一部分的较大的M群星子,且离球心较近的首当其中,并形成椭球状,比其密度小的物质将按照图3-13(b)外迁,一内一外的迁移,因为位能差的存在,使得地球内部温度再升高,这种再升高使得物质粘度降低,并加速一内一外的迁移。根据球内性质,内迁的铁和铁的化合物成为椭球形,外迁的物质形成球层。因为内迁和外迁的物质密度差异较大,这时古登堡面出现。根据对陨石的统计分析,铁陨石仅占很小一部分,更多位于其它陨石中,这部分铁和铁的化合物,也将内迁,这时的内迁将产生对流,这将成下面讨论的重点一部分。随着这一部分的内迁古登堡面半径逐渐增大,地球内部的热能也将越来越高。

因这里关心的主要是热运动的内部结构,粒子迁移中,熵、化学势、自由能等具体如何引起粒子重组与分异,地球化学有比较详细的论述,因此不做过多的涉及,但承认它们的作用结果。需要强调的是造成物质迁移本质,是因为密度差异在合力场的作用下产生了浮力强度。

6.2  均匀物质热运动的初始热结构

从对流定义中不难做出以下的解读,温度的不均导致了粒子间距离的不同,粒子间的距离不同改变了物质的密度,密度的不同而形成浮力强度,这对处于不同温度下,居于一处的同一种物质对流发生是必然的,当然也要有适当的粘度。从这一推理,看到热力通过粒子间距离在合力场中形成了浮力。在均匀和不均地球形成模型中,均承认存在热运动和物质的迁移,至于具体如何迁移并没有详细的论及。但俯冲带处吞噬海水的发现,为用对流解释物质迁移提供了最为有理、有力、有利证据。前面对用俯冲带处吞噬海水,解释“负浮力”形成,对洋脊和岛弧重力资料的解释,以及俯冲带的俯冲深度,更增加了对流之于原始地球形成的重要,但对流的结构研究并没有被地学工作者所重视。通过前面的铺陈,和地内引力场和地外引力场之于地球形态的推理,以及浮力强度方程3-45、沉力强度方程3-46,认为可能没有比用浮沉或对流解释地球构造形成更为恰当。基于这些分析,下面主要先分析对流内部结构,尔后用已发现的事实再论述:浮沉和对流之于地球圈层构造、陆体构造的形成是否合理。

前面用图3-13(b)(c)和图3-13-1简单概略做了浮、沉原理分析下面再做详细分析。下面以球内性质讨论地球早期,甚至形成过程中的浮沉和对流的形成。前面基于对长方体上升,讨论了因长方体上升所带来的流体结构,下面基于此思路,讨论物质持续受热后上升的浮沉或对流结构。

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6-3  浮力对等压力面改变示意图



     假定除前述形成的原始地心物质外,所有星云物质已均匀混合成大中小密度的混合体,已具图3-5示的球面等压力面:如图6-3中ABCD和EKGH即是。图6-3中示的局部块体的温度升高,粒子间距离增大,


第75


密度为d,形成高温混合体,与周边相比密度变小,存在密度差D。因此浮力产生,也就有了浮力强度。假设图6-3,不存在外引力场,浮力强度的方向与引力场的方向相反,总强度减弱,因此等压力面必改变,如图6-3所示,之前文章做过分析[23]39-41下面重新再分析。有了浮力强度,块体就有了远离球心的趋势,块体上部压力增大,下部压力减小。等压面发生如下的改变:①等压面ABCD,变成ABB1C1CD。在弧BB1上,右侧压力大于左侧压力,产生了方向向左的压力差F1;右侧C1C亦同,压力差F4方向向右。②原等压面由圆弧EKGH,变为EKK1G1GH。弧KK1,右侧压力小于左侧压力,产生了方向向右的压力差F2,右侧G1G亦同,压力差F5方向向左。③图示块体向上,产生力F3F6两侧受其作用。④在图示的力F1到F6作用下,块体左右两侧产生如图示的闭环I1I2运动。此时“负浮力”和俯冲端倪出现。

若块体底部均匀持续供热,块体上升,上部物质沿F1,F4方向运移;同时带动两侧物质沿F3,F6方向上升;块体底部,外部物质沿F2、F5方向进入块体下,并受到加热,然后加入到上升块体的行列。如果块体和后加入的物质上升快,将出现图示的I1、I2旋转,如果慢I1、I2旋转不会出现。这样,在持续供热下图6-4所示的热结构形成。

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6-4  热结构剖面意图

6.3  热结构的增大与粒子间的分异

图6-4的高温混合体中,混合粒子集团,按图示运动,但具体到具体粒子集团,因受引力场的作用,运动速度将受到影响,或者说浮力强度或沉力强度对总强度的局部改变。大密度粒子在沉力强度作用下向背离高于高温混合体运移;小密度物在浮力强度作用下以高于高温混合体运移速度同向运移。

因此大密度粒子将有一部分,如图6-5所示的于底部脱离混合体。脱离混合体的大密度粒子集团,受负压作用,集中到热结构下的中部,在沉力强度作用下先形成如图3-8(b)所示的上小低大囊状,随热结构的运动,囊状物逐渐增大;增大囊状和混合体异位,位能差形成热能,同时由于重核素铀、釷、钚密度都大于铁,这里面重核素的含量密度增高,衰变热得到集中。衰变热与位能热合于一处,促成上覆热结构纵横向增大,这又引起囊状物的增多,最后与其下的地核相连,形成图示的GH,GH也存在运动结构。在GH中还存在密度的不均,如纯铁、重核素U、Tu、Pu,较于铁的化合态比重要大,由于负压作用,它们更可能位于热结构的下部的GH的顶端中部,根据沉力强度和图3-13(c),将产生图6-5所示的沉力运动;另根据性质6,GH还将相对降低高度横展。

    大密度脱离热结构的同时,小密度粒子也同步的先是溢出热结构,与上覆混合粒子交换位置,位能差


第76


形成热能,增加上覆混合粒子的粒子间距离,从而也利于热结构的纵横扩展;而小密度粒子在下部热结构作用下,形成上大下小,展布于热结构的左右两侧的囊状,如图6-4示。上述过程反复进行,小密度物先出露于混合体,热结构紧随其后,如图6-5所示。小密度物出露后,内侧受热结构的顶部横向力的作用,小密度物外移,扩张出现。外移的小密度物和热结构形成稳定的力平衡关系;小密度物以及自身内聚力的作用,由于高温,根据性质6此时呈等厚状;但也不排除其内部存在新的浮沉运动。同时还不断接受来自底部热结构新又分异出的小密度粒子,垂直水平增生出现,“陆”出现,这也就是阿莱格尔所称的泡沫出现了

GH改变了核部等压力面,根据球内性质,核部半径增大,增大部位与混合体间形成应力积累;同样小密度物的集聚,也改变了混合体的等压力面,在底部造成应力积累,并下传;此两应力做功,产生热能,这一热能量同重核素衰变热一起,称之为核增能,这也是产生地温梯度的原因之一。GH横向上,在不断接受上部热结构的大密度物的同时,向外拓展,并存在图示的热结构,向外的拓展使得核部半径进一步增大,引起核增能,重核素伴随图示热结构有可能,象小密度物一样居于热结构底外侧并富集,这样就不排除链式核裂变发生的可能。上面的分析,可以看出GH内部也存在热运动结构,这一结构与上部的热结构运动方向相反,如图6-5的下部所示。

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6-5  热运动空间结构剖面意图2



GH内部热结构的运动,同样存在粒子的再分异,更大密度粒子向图示箭头的方向下方聚集扩散。依造马学昌老师研究,有可能发生链式核裂变,这将使得原始地球的热运动更加复杂。有报道称,粒子在压力超过140万个大气压后,可成无粘性流,这一情况属实的话,内核热运动需要更深更多的物理学理论,这些理论应包括:凝聚态物理、量子物理最为前沿的物理理论,限于物理理论的浅薄,仅能做上面简单的推测性推理。同时为便于稍后的分析,能否发生链式核裂变,不做考虑,即便发生也认为是核增能的一部分。

通过上面的分析,GH处对上部热结构供热,是热源。热源促进热结构中中部物子上升,在热结构底部形成负压。中部物质的上升,是热引起的,因此可将不断受热的物质看成是一种源,为便于叙述,将此源仍称为热源。GH内部也存在热运动,上部也为负压,因此两负压一起形成负压源。既然是源,就符合拉普拉斯方程∆u=0因此可根据论进行分析

6.4  热结构的场分析

    根据GH的形成,中部热能高于其两侧,因此在热结构中,中部粒子集团平均密度最小,向两侧增大,


第77

存在密度差D。因此中部粒子上升速度最快,向两侧逐渐减小。密度差D的存在,上升粒子,一开始就受到外侧的水平压力,使得粒子边上升,边向中部靠拢。快速上升的中部粒子又对靠拢的粒子产生反抗。当靠拢与反抗力相等时,靠拢停止;过后又因上升速度差异开始扩张。下面再用场对其分析。

图6-6预给出了流线和等势线。热源左侧的灰白质点,t1时刻质点位于图示的位置,从t1到t5,该质点到达图示的中部,而与该质点相邻的右侧,晚于左侧质点于t2时刻上升的深灰白质点,因速度的差异,在t5时刻也到达热结构中部,并对左侧质点形成反抗力,使之靠拢停止。同样在热源右侧,如图6-6中所示,分别于t2,t4时刻上升的深灰白和黑色质点在刚过中部的位置,t6时刻相遇,左侧质点对右侧质点形成压力,使得深灰白质点右斜上上升,因此过热结构中部质点扇形上升。而这些质点的轨迹,就是流线。

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6-6 热运动流线剖面及投影示意图


从t1时刻开始图示的质点向右斜上上升,其后必形成真空,而真空的上部压力最小,因此最初的真空后展为半喇叭状。此半喇叭后,质点受真空作用,具有向右斜下运动的方向,质点的右斜下运动,其后的负压形成的半喇叭也将斜下后展,并在左下有扩展,至图示C处,喇叭形成右大左小,中线垂直地表的漏斗。这样由D开始至C的质点轨迹,形成图示的负压流线。从t1时刻上升质点到图示的A处,上升过程中因粘滞力而带动左侧质点运动,同样由D至C的质点的运动带动右侧质点运动,I1就旋转起来。

I1旋转促进C到A间的质点运动。C处质点的向下运动,因I1旋转,C处右斜上压力最小,右斜上粒子向左斜下运动,其后负压喇叭右侧减小,左侧增大,这样持续下去直至A处,质点轨迹流线出现,并与热源流线相衔接,此时负压喇叭为:与地表平行的上大右展的半喇叭。

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6-7  重力源示意图


    于图6-6中,中间质点于球形地表GKHPN的H处出露,质点做竖直上抛运动,至最高点回落,并与下部后续质点做非弹性碰撞,然后稳定在图6-66-7示的S处。由于后续质点的连续上升,于S处并不稳定,开始向两侧运动,影响左右两侧相邻质点斜上运动。左右两侧相邻斜上的质点,又影响其后相邻斜上质点的运动,这样一直持续到AM处,并使AM处热源流线方向平行地表向左或向右。此时AM处质点,存在如下受力,下部支撑力,上部压力,上部物运动冲


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击力及引力,合力为零,但受后部质点的推力和负压作用,将作斜下抛运动。从而形成图6-5隆起KSP,及热源流线不受上部影响最初做斜上抛的AHM的曲线。KSP可以看成是洋脊形成和海底扩张的理论依据。图6-7中流线1上的质点,于左斜上图示黑点处,受右侧相邻质点作用,停止左斜上,后在重力作用下,做初速度为零的左下运动;流线2上的质点,亦如此。两黑点与AS的平滑连线AS,就是作斜下运动的重力源。

源于S处的质点,在下部支撑下,沿上凸弧KS运动,到K处速度最大,过K继续左斜下运动,因下部支撑,做下凹运动,至J处,做下有支撑的类抛物线运动,至G处与下部负压相衔接,并取得与G处小密度物力的动态平衡。小密度物与热结构间出现图示的沟。这一轨迹与通过谷歌地球,海沟至海岭的高程计算,得出的剖面与GJKS剖面相同。这就为海沟,海岭,海平原的形成找到理论依据。曲线GJKS也为流线,这一流线与负压流线相衔接。这对海沟吸食海水,就不难理解了;“负浮力”驱动力板块显然不确切。

源于流线1的质点过KA后,与上源于S的质点运动轨迹相同,并与下部负压流线相衔接。但源于流线2的质点过KA后,在下部支撑和上部压力作用下,做下凹运动,某时刻运动方向轨迹与地表平行,且与该处也与地表平行的负压流线相衔。上述过程,图6-5的右侧同步出现。重力源源于热源的上升的转变,故可以看成热源的一部分。

根据对流的概念及上分析,这是是一种受迫对流。它存在三种源:热源、负压源、重力源,可见过去一句对流,解释地球内部发生的物质运动,显然过于宽泛空洞。为今后方便叙述,将上述的这一热结构称为点源热结构。

在点源热结构内,等压力面尽管物质的运动是连续的,当把上升部分划分成段后,每一段的前部形成物质的盈余,而后部形成物质的亏损;所以点源热结构中等压力面的变化仍如图3-13(b)和图3-13-1一样,但因是物质连续的上升,较之长方体上升复杂一些。特别是在下降回返处,即存在负压作用,又存在热结构由顶部最高温,因曝露降温导致的回返物密度增大的下沉作用,是一种双重作用,用强度可表述为:海沟处的“负浮力是负压强度和沉力强度双重叠加。所以,海沟处重力异常复杂也就好理解了,图3-15中岛弧海沟处,自由空气异常出现间断,也就不足为奇了。在图6-4、图6-5中,仅画出了因负压而形成的等压力面AB。

上述分析是否有道理呢?因为在大洋中,较为困难的找到图示的点源热结构,但存在活的洋中脊和休眠或死亡洋中脊,它们可以为点源热结构存在找到证据。洋中脊是怎样形成的呢?是否可以从理论上由点源热结构推出洋中脊的形成?后面还将谈及。

6.5  小密度物与热结构间的平衡分析

     图6-8为图6-7左上的一部分。小密度物右下与热结构顶面接触处,存在动态平衡。根据前面的分析,


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小密度面与热结构间存在着复杂的力的平衡关系。下面做一简单分析,分析如下。

对小密度任意一质点,存在图6-8示的受力:热结构对小密度的支撑力N,热结构对小密度物摩擦力F,摩擦力使得左侧小密度物产生图6-8示的反抗力F,及上覆小密度物对该质点重力F。在图示的坐标系中F与X,F与Y夹角均为α。在X、Y轴的合力分别为:

FX=F+Fsinα-Fcosα…(6-1)

FY=N-Fcosα-Fsinα…(6-2)

当FX=0,沟的位置稳定;FX>0,沟的位置向图示左下移,反映热结构扩大,小密度物漂移或消减;FX<0,沟的位置向图示右上移,反映热结构减弱,沟后退,这就是海沟的为什么会进退。

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6-8 小密度物在俯冲处受力示意图



6.6  不同热结构联合的形成分析

      如图6-10所示,相同点源热结构A与B,由于流线不能相交,故两源流线,相互干扰,一开始时,在A与B间将存在一隔离面L。由于存在负压的作用,在A、B的两负源间负源强度叠加,这一叠加使得负压得到加强,分异的大密度物质使得原本俯瞰为圆的A、B开始变形,除仍向周边发展外,两者之间发展更

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6-9  点源热结构流线干扰示意图


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 6-10  线源热结构示意图

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6-11  错轴热结构示意图1

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  6-12  错轴热结构示意图2

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6-13 三线状热结构轴间等角度示意图


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快,到一定时间两者相连,再往后就形成了图6-10的形态;当然正压源亦同步进行,中间L消失,新的热结构形成。为便于后面叙述,将这一热结构称之为线源热结构线源热结构具有以下的顶部外形特征:沿AB轴的顶部,且垂直AB向两侧,具有图6-7的展布,两端相合即具有点源热结构特征。

6.6.2  线源热结构的组合形成分析

1.两线源热结构相遇分析

当两线源热结构平行但不同轴:一、如图6-11的相遇;二、如图6-12的相遇;三、热结构平行但很小一部分重叠,而重叠部分,因负压用不了太长时间,会形成图6-11、12的形态。根据场理论,这两种组合具有图示的流线和等势面。同样为了叙述方便,将图6-11、6-12称为错轴热结构。其特征为:平行的两线源热结构,在其顶端相错相遇处,不论两平行线源热结构强弱是否相等,两线源热结构顶部间具有V字型结构特征,其它特征与线源结构特征相同,V字型结构是转换断层的形成地,这一点从图中椭圆圈定的位置可一目了然。

2.三线源热结构相遇分析

图6-13示意了三线源热结构,轴间等角度的组合。在这种组合中,不论三顶端是否相互接触,在负压的作用下,图6-13左侧的L因负压很快消失,进而形成图6-13示的右侧热结构。它具有放射性形态,命名为星源热结构。是三联点形成之所在。

两线源热结构,当轴线斜交或垂直相交,在负压作用下很快形成图6-13示的图右侧非标准的星源热结构。三条以上线源热结构组合,不常见,故不讨论。

星源热结构的特征:三线源热结构顶部轴线相交处,相对高度最高,沿三轴相交的顶部向外高度逐渐降低;三轴线相互间呈V字型,由顶部向外V字结构逐渐扩大,沿左侧图中L高度逐渐降低。

6.6.3  由错热结构到网热结构形成分析

     错轴热结构两顶端蒂合,可形成一犬牙交错的链源热结构,这就形成了洋脊链,链源热结构的顶部展布形态如图1-4所示。链源热结构与链源热结构非顶端相遇,在相遇处形成形成星源热结构,这在图1-4中的三联点和图6-13的形态无二;许多链源热结构如此联接,就形成了网源热结构,这在图1-4也表现的一清二楚。图6-14是来至文献[94],在文献中认为,冥古宙时期,吸积完成的地球,温度很高地表处于熔融态,地表物质的展布,用电脑做了模拟仅从这幅模拟图中,可以直观的看到上面所提及的源热结构、星源热结构、网源热结构一旦网源热结构布满球内,小密度物岛状、规则不规

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图6-14[94]


第81

则位于网眼在图6-14中黑色的在此认为那分异出的小密度物。它们是陆核的雏形,是槽、陆、断块与层块及台的形成基础。

6.7  热结构存在的证据

地幔对流是板块构造学说最初的基础,但随着对夏威夷热点的解释,人们对对流环能否穿过地幔中许多相变层产生怀疑[3]45。随着以下事情的出现:大陆根深达400-500km[34]1977Kraners发现南非FinschPremier矿山金刚石中硫化物包裹体年龄为2.0Ga,而侵位年龄为90Ma[34];以及南极发现来自150km,年龄为3.0Ga的金刚石[2095]。使得人们对地0幔对流更是充满疑问,滕吉文等将地幔对流称为“猜想”。尽管如此,围绕对地幔对流的研究并没有中断,出现许多好的成果。

6.7.1  形态证据

1)洋中脊形态证据

图6-15为谷歌地球洋中脊的一段截图。在图中由洋脊的顶部向两侧,高度逐渐降低;洋脊错断;错断的洋脊间,流线特点明显;相邻错断洋脊间,近于平行。这些特点与前面错轴热源结构中,不同热源间物质受热后上升特征相同;特别是不同热源间的流线不可相交,从图中的虚线看的十分清楚。两相邻的洋脊间在错断处,脊顶与脊顶间呈V字型,这也与错轴热结构相同。同时也可以看到洋脊脊顶V字型开裂,这种开裂恰好反映前面分析点源热结构,热流上升的特征。因而可以断定,错轴热结构在洋中脊的形成分析中是有道理的,仅以此分析可笃定洋脊的形成是非拉张性的。

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图6-15洋中脊形态


从上面对这一段洋脊链的分析中,不难看到前面分析的热结构有一定的道理,下面通过高程做进一步分析。

2)点源热结构的高程分析

     在谷歌地球上,帕皮提是一火山岛,离大洋中脊不是太近,离汤加弧也不远,可以先假定其下存在图6-6式的点源热结构。用测线验证是否存在图6-7的海底地形。图6-16是谷歌地球在帕皮提和汤加弧


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间的截图,图中Ⅰ为帕皮提到海沟一条测线,在测线上等距离连续取得海底高程,并对应的做出海底测线地形图。在海底测线地形图上,除A处存在凸起外,其它处虽有波动,但不及A处,对这一测点线,做一手工拟合,图中红色线既是。从手工拟合线上可以看出:帕皮提到图示的1点处,虽没有图6-7 S到K圆滑曲线,但大体存在了S到K的情形;从1到2的海沟的海底地形,基本上与图6-7 K到G相同。

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图6-16


第83

再看测线Ⅱ,从海底测线图上,除B处存在凸起外,其它处波动较小,手工拟合曲线,基本上体现了图6-7的海底情态。最后看测线Ⅲ,海底测线图上,海底起起伏伏,波动不大,手工拟合曲线,也可以找到图6-7 K到G段,即图上1到2段。

3)从洋脊到俯冲带的高程分析

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图6-17


图6-17为大西洋中部,洋中脊到大西洋西侧唯一海沟的一条测线,在测线图上,A处存在较凸凹外,其它地方波动不大,图6-7 S到K,K到G,从手工拟合看,还是符合图6-7的情形。这对线源热结构的存在是一个很好的例证。


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图6-18

      图6-18是利马北部从海沟到大洋中脊的一条测线,在测线图上的B异常较大,但从谷歌地图上,明显的看到一个小的洋脊,转换断层清楚,所以是一不容忽视的局部小洋脊。小洋脊右侧海底情态从手工拟合曲线上,符合图6-7的情况;在大小洋脊之间,靠小洋脊一侧,在海底测线图上的A处海底地形较低,这反映了大小洋脊的流线在此相遇,在两个负压源的作用下而形成。可见线源热结构的存在不无道理。


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3)转换断层的高程分析

图6-19是转换断层的截图,图6-19位于蒙罗维亚西南太平洋上,从截图到测线图上,可以清晰可到转换断层两侧的海底形态,测线Ⅰ从左侧洋脊到另一洋脊,海底形态基本处于降低;测线Ⅱ从右侧洋脊向左,也是如此,符合错轴热结构的特征,可见错轴热结构的存在。

图片83.jpg         图片84.jpg 

                     图6-19                                    图6-20

4)三联点的高程分析

    图6-20是毛里求斯东部的一个三联点,三条洋脊交汇于图示的A处。在三条洋脊上,由错源热结构形成的链源热结构清晰可见,星源热结构也清晰可见,其顶点为图示的A处。由A处在洋脊间引三条测线,沿测线在谷歌地球上测试等距离测试,其下部海底地形形态表明:由A向外,海底地形逐渐降低,符合星源热结构的特征,因此星源热结构也是存在的。

   5)全球的洋脊网链

     通过上面的高程分析,虽还不足以就完全证明对流的存在,但起码在形态上足以说明,前面对各种热结构的形成分析,是有积极意义的。这种意义在于通过比对分析,在此认为如果要涉及大地构造,热可能是逾越的,是必须面对的。所以借用他人的成果,来说明网源热结构的存在。现在洋脊链是潘吉亚大陆裂解后,经两亿多年的演化后的陆地、洋脊间的位置关系图。从谷歌地球上我们可以清楚的看到:由链源热结构(大洋中脊)通过星源热结构(三联点),组成了网源热结构,大陆位于网的“网眼上”,这可以证明网源热结构的存在。


第85

上面形态分析,虽是已经演化了4.6Ga的情况,但热运动规律是不会变的,所以可以简单的推断,对受迫对流热运动在本阶段,应是不可或缺的。

6.7.2  重力资料证据

前面3.7节中对大西洋北部大洋中脊和岛弧的重力异常,通过与长方体上浮做了比对分析。认为大洋中脊存在自由空气异常和布格异常的对称形态,是由上浮引起的。上升的长方体前部引起物质盈余,等压力面上凸,对应了自由空气异常;长方体的下部物质亏损,等压力面下凹,对应了布格异常。而在而在6.4节中,对热流体上升过程的分析中,也得出了同长方体上升同样的盈亏特征和等压面特征,因此可以断定自由空气异常、布格异常所反应的一盈一亏,曲线形态对称展布正是热物质流上升的情况,因而洋中脊正是热流上升形成的。

长方体的上浮引起其后负压力的形成,负压力外延上展,引起物质亏损,形成负压力强度;而上部的物质盈余,在重力作用下外移,从而形成长方体的周边两力强度的合力强度作用,在这强度作用下,外侧激起壅水从而形成物质盈余,其下由于合力强度作用物质仍是亏损。同在分析热流物质上升中也是同样存在,所以自由空气异常和布格异常反映了海沟和到下物质的展布状态。综合上述分析这对于地幔中存在对流是一不错的证据。同时为“负浮力”增加了新的内涵,“负浮力”仅因密度的增大是不完全的。

图3-14,图3-15两者结合,就为大洋下地幔中存在对流提供了比较有理有利的证据。因此地幔中存在前述的热结构,在地球的演化中是不可缺席的。而在岛弧上的多地震,多火山,正是此处“负浮力”加入新内涵作用的表现。“负浮力”的下拉引起作用面间地震不断,形成双地震带;“负浮力”的下拉使得岛弧具有“壅水”特征,加之此处是小密度物汇聚之地,又有一部分动能转变为热能,多火山也在所难免。

6.7.3  地震资料及岩体形成的俯冲带证据

    地震探测技术的发展,对揭示地球内部结构构造,起到了很大作用。图1-5的地震资料表明,特别是有些大洋底能俯冲到甚至超过1700km,这对前述的热结构存在是以非常有力的直观证据,同时说明软流圈下尽管是固相,但也可被刺穿,并非不存在运动。而俯冲带具有这样的性质:它是地壳物质循环和挥发分进入地幔的关键区,是熔体抽取、新生地壳生长并最终形成大陆的起点[96]从这一结论看,上述热结构中,小密度物汇于热结构左右上侧是正确的。TTG(trondhjemite–tonalite–granodiorite)及赞岐岩是太古宙地体的重要组成部分,这些岩石的形成过程对于揭示地球早期板块构造及地壳演化具有重要地质意义。王丹郭敬辉钱青等,对华北克拉通阴山地块出露的朱拉沟闪长岩-花岗闪长岩岩体开展了详细的岩石学、地球化学及同位素研究工作,取得了:支持闪长岩体是来自下地壳含水玄武质岩石的部分熔融,该过程可能发生在大陆边缘弧的环境[97]当然俯冲不限于这一问题,但对于热结构而言这已足够了


第86





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1 杨学祥

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