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对地球动力学的思考回顾(14)/李务伦

已有 774 次阅读 2021-12-19 14:05 |系统分类:科研笔记

2011年因工作所需,深入学习大地构造理论,随着学习的深入,各种大地构造学说使得我无所适从。同一个地球,甚至是同一个地质现象(地域或地方),对于其形成的动力学过程,不同的学者给出不同的动力解释。各自在所能持有的地质证据事实与对方激烈的对阵,互不相让。这对同一个地球来说,有点有“盲人摸象”的感觉。我十分欣赏因认识角度和掌控知识之间的差异,揖让而升下而饮的辩论,反对那种在事实面前的固执己见。地球动力学研究学者众多,形成的理论根据毛小平博士的统计,有近四十种;巫建华教授根据著名的地球动力学理论,将地球动力归纳为五大动力系统: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。而每一位学者的成果,都是知识的结晶,因而不盲从任何一派学者的理论,积极寻找各派理论的共性的东西。形成了以球内性质和对流为主,兼顾自转、地外作用、锅盖效应的系统动力结果。

根据学者们的研究地球脱胎于星云物质,不同成分的星云物汇聚形成地球。组成地球的物质逃脱原有的平衡环境,进入新的环境,从而造成新的不平衡。这时的的不平衡应包括,力、热、化学势。让我们首先发出疑问的是这些星云物质,在新的环境下总体应形成什么体态?物质应当如何展布?如何运动?它的最基本运行理论是什么?应当遵守那些基本物理理论和定律?

所有的星体为球体,在过往的理论中并没有引起地学工作者的重视,从以往地球动力学理论的研究中,同其他老师们一样也认为星体为球是可有可无的事情。当看到太空舱中,不规则液体迅速收缩为球时,认为能收缩为球的力,应当重视,不是可有可无的事情,但始终没有查到心仪的解释。于是苦苦思考,久不得其法,后与儿子李相通沟通,在多番讨论后认为需从最基本的物理规律:万有引力定律,探求其形成球的原理。于是按照这一思路推出质点形成的引力场为球形,很快打开思路。经过一番探求,提出了无旋无外力下的球内强度方程球内性质,从而解答了星球为什么为球体。对于存在自转的球体,球内合力强度方程为偏椭球体方程;当在处于外部引力场中,球内合力强度方程为椭球体方程,进而归纳出球内性质球内强度方程和球内性质的得出,为研究地球动力学提供了初步的理论基础。这一初步的基础,告诉我们星云物质的汇聚要按球形进行堆积,暂时被锁固的力不平衡,将形成尔后的分异和对流。

在汇聚为球体得过程中,引力位能迅速转变为热能,热能使得粒子升温,温度增高又使得粒子间距离增大,造成密度降低。不同星云物质,同聚一处后,化学势产生,这时的物质运动要遵守热力学第一定律,为形成新的平衡而进行物质运动。形成地球的元素以硅、镁、氧、铁为主,总量根据地球化学知道超过90%。这四种元素是形成各种硅酸盐的物质基础。在硅酸盐中,架状硅酸盐密度较小,其它硅酸盐则处于铁为主的矿物两者之间,这就为地核、地幔、壳等形成提供了物质基础,或为物质的整体性三分提供了物质基础。

这时的物质运动首先是分异,但在热持续供给下的分异形成对流,对流冲破地球表面,不断地卸载小密度(硅铝物等)物质于地球表面,也不断地卸载大密度物(铁等)于对流底部,为后期海陆分野和形成地核提供物质基础。在分异和对流过程中,势能不断地转变为热能,这又促进了分异和对流的运动,同时造成内部温度持续升高,是形成低温梯度的原因之一。地球的整体升温,而外太空是冷的,根据热力学第二定律,地球将不断地对外释放热能,使地球降温,这也是地球形成地温梯度的原因之一。在地球内部,高温高压下的物质,根据克拉贝隆方程将形成不同的相态。目前的的地球内部有固相、软流圈及超固相等物质形态。

对流在以往的地学中,说法十分简单,至于运动结构规律,及物理性质并没有相关的论述。为此专门讨论其内部运动结构,并名为热结构。热结构最大的特点是具有流线特征,最基本形态有两种:点源热结构和线源热结构。线源热结构为转换断层的形成提供了理论基础。不同对流的生与死,为小密度物的表面聚合与分离提供了理论基础。不断地对外释热,使得表层出现结壳。而不断生死的小密度物下热结构,一是引起小密度结壳物质开合,开海洋成,合大陆相撞形成条形山脉等;二是中途中断的热结构,形成裂谷、地堑以及地洼。这从以往的研究中不难得到,如地洼学说,层块构造热涌说、涌流构造说等。后造山运动的形成、层流构造的出现、地压梯度的提出等,充分体现着球内性质的作用。在热结构中,内部的每一质点,无论是上升,还是下降等,其运动轨迹无不受内部合力强度的影响,从而使得地质构造具有周期性,从而体现自转和地外引力的作用。

对外太空的释热,造成表层矿物固结,而表层则处于新的环境之中。在新的热环境中出现物理、化学及生物风化。风化后的物质在重力或球内性质的作用下运移形成沉积。而前述的裂谷、地堑、地洼、陆的边缘是沉积物的归属地;这些地方接受沉积后,根据球内性质,也将产生动力作用。由于球内的热运动不断地改变,这些沉积受其影响则产生各种构造。这是其一,其二释热使得表层固结不断下探,造成地球收缩;同时表层固结对球内的热起到阻碍作用,使得内部热能得以保护,进而引起地球的膨胀,使得地球始终处于周期性脉动之中,同时影响球内部热运动的速度。

关于热能的来源,早期的地球热能主要来自引力位能和势能。这些能量支撑早期的地球快速演化为球层地球,但随着热能的释放外太空,这些能量日渐变少,势能能否支撑地球内部热运动,将是一大问题。有学者认为重核素,通过分异或对流进入内核,富集一定丰度会发生链式核反应,是内部时下热运动的主要来源。因而维持地球内部后期热运动的来源是笔者的十分纠结的事情,何去何从只能留待日后。

总之,对地球动力笔者在此认为:球内性质和热运动(球内具体主要为对流,球表为风化等)是地球演化的最基本动力,前者约束着后者的运动,后者不断地改变着地球表层的形态。而整个研究具体到具体物理理论,则应是万有引力定律、热学第一、第二定律。这些应是地球动力演化的纲,也是其它星球演化的纲。

从在科学网发第一篇博文起,到现在已有快一年的时间。首先感谢科学网这一平台的快捷方便,使还处于摸索的东西快速的与众多老师见面,也衷心感谢你们的阅读。希望读到的老师们对其中的缺点错误能不吝笔墨给予批评指导!对错解、错评、错引学者们的动力学成果,还请相关学者批评指导!

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