从地球科学“如何揭示板块运动动力机制？”之问

     谈找寻“地壳运动”动力机制之路（上）

池顺良

0.引言

中国科协2021年度评选地球科学领域前沿科学问题是：“如何揭示板块运动动力机制？”。这样的提问说明，“板块说”这个地球科学主流学说仍处于因动力机制不清的尴尬处境。

“板块构造学说”是欧美学者60多年前在“大陆漂移”、“海底扩张”、“地幔对流”三个科学猜想上建立的“全球构造运动的动力学假说”。

这个曾被誉为“20世纪地球科学伟大革命”的假说，经60年探索仍然没有搞清它的动力机制。板块说也承认驱动力问题至今没有解决。

滕吉文院士指出：“作为动力源的‘地幔对流’，无论是它的形式或存在的证据都充满不确定性”（滕吉文等， 2009）。

马宗晋院士指出：“板块运动机制至今没有确定，板块运动驱动力不能确定，始终是板块构造理论的严重缺陷。动力学机制，是任何一种学说或理论赖以立足的根基，是一个不能回避的问题，”(马宗晋和杜品仁，2007)

本文依据月球与地球均有构造运动且月球构造运动更强烈的事实证明：“板块说”以“地幔对流”为动力的猜想，确实错了！推动全球构造运动的主导动力，不是“地幔对流”而是地球与月、日之间的引潮力作用。

一种以星体间引潮力相互作用的新理论“内波说”，将以其可以解释地壳运动从简单的结构形态开始，经40亿年演化逐步发展到目前复杂而有序的海陆分布及陆上与洋底大山脉形成，证明自己的价值。

1. 揭示地壳运动动力机制的三步曲。

我们在寻找地壳运动动力机制时，若视线不只对着地下还能仰望星空，就会发现问题的解答简单而清晰。

1.1.地球内部有几种能量可满足地壳运动能量耗散所需

“板块说”依靠地球内部“地幔热对流”驱动，地球内部还有其它能量能够支付地壳运动能量耗散？

从地球生成以来，已释放热能约6×10³⁰～20×10³⁰J，自转动能约15×10³⁰J。现在，每年释放热能0.94×10²¹J，自转动能0.13×10²¹J。

全球地震活动每年释放能量5×10¹⁸J，此值为构造运动每年所需能量的下限。自转能和热能的年耗散分别比它大1～2个量级。

其他能量，如地磁场总能量为10²²J量级，数量上远远不够。（傅承义等，1985）（池顺良，1992）

地球外部环境中太阳辐射能达到每年5.2×10²⁴J，但只有极小部分进入地下很浅的地方。太阳辐射能主导外动力地质作用。

只有“热能”和“转动能”能满足地壳运动对能量的需求。

板块运动靠地球内部热能驱动，由热能驱动的“板块说”可称为“热机”理论。

地球转动能提供给构造运动使用，转动速率就降低。只有潮汐作用能让地球转速降低，其中部分转动能转化为构造运动能。由“转动能”供能的地球动力学理论可称为“转动机”理论，动力机制必定与日月引潮力有关。

由此得出可能的主导动力只有两种：1)地幔热对流提供的动力；2）日月引潮力。

何种是真实的主导动力？需进一步找到判断依据。

1.2.月、地均有壳层运动，小星体构造运动更强烈，确定引潮力是主导动力

地球的卫星月球，是颗类地岩质行星，与地球一样具有壳、幔、核圈层结构。

对月探测发现月球上也有月壳运动。月球表面分布有连续、险峻的山脉，高度达7000米；最深的“海”底深度超过6000米。

地壳经40亿年演化从无到形成、不断增厚，至今平均厚度仅17千米。大陆从无到出现占比不断增加，至今只占29％。地球上每年都会发生二十多次7级以上大地震，地壳运动仍然活跃；月壳运动仅经15亿年，月壳厚度已达到60千米，“月陆”占比超过70％。月壳运动在31亿年前活动已停滞，目前月震每年释放的能量比地震小7个数量级。月球上的月震活动非常微弱，据分析其中的深源月震是月球在地球和太阳引潮力共同作用下发生。（欧阳自远，2005；赵娜，2020）

上述差别表明，月壳运动强度远超地壳运动，很短时间即走完演化全程。

与此相应的是：地球早期自转周期约5小时，经40亿年演化，自转周期逐渐延长到24小时；月球目前自转周期超过555小时，相对地球在31亿年前已停止转动。

地、月间，相互产生引潮作用。能量量纲的Doodson常数表征它们之间潮汐作用强度D。 (Doodson,1921；许厚泽等，2010；高布锡，1997）

        D =（3∕4）G M（a²∕c³）                          （1）

式中G为引力常数，M为施加引力的星体质量，c星体间距离，a承受潮汐作用星体的半径。地球质量是月球81倍，直径是月球4倍。由（1）式，月球受地球潮汐作用强度比地球受月球潮汐作用强1300倍！强烈的潮汐作用令月球构造运动很快走完演化全程。

地、月均发生壳层构造运动，只有地、月间潮汐作用机制能令月壳运动速率强于地壳运动。至此，我们可确定：地壳运动由地球与月、日星体间的潮汐作用引起！

而地幔对流机制，则不可能令小星体运动强度大于大星体。

Holmes提出“地幔对流”假说(Holmes，1931），地幔对流成为“板块说”推动地壳运动的主导动力。

流体力学实验与理论研究，确定热对流发生的临界瑞利数可表示为：（特科特 D L、舒伯特G，1986）

                          （2）

式中，为重力加速度， 为体胀系数，为温度梯度，为对流层厚度，为热扩散系数，为粘滞系数。板块说认为地幔系统瑞利数> 2000，对流会发生。

月球直径只有地球1/4，按照（2）式， ∝，月球对流层厚度不到地球一半，月幔系统的瑞利数将小于2000，对流难以形成。对流机制不能令月球的构造运动比地球强烈。

地球在月、日引潮力作用下，推动地壳运动具体的动力机制又是怎样的？地壳运动属于地质科学，解谜的线索只能从野外地质揭示的运动学现象规律中寻找。

1.3.“内波说”－从大山脉形成运动学现象规律中找到推动地壳运动动力机制

大陆地质经百年勘测勘探，总结出“地槽－地台说”。“槽台说”给出地壳运动的“运动学现象规律”之一是：所有大山脉的形成都经历先沉降、沉积，之后回返隆升形成山脉的过程。

上世纪60-70年代，李四光在探讨地槽沉降起因时指出：“我们不得不问，那个槽子底下的物质哪里去了？如果我们否认槽子底下的物质向侧面迁移，以致在它的侧面形成隆起地带，我们就无法答复上面提出的问题”。李老指出，地槽沉降及回返隆升的垂直运动，是地壳底部物质大幅度水平侧向迁移运动的结果。这是揭开地槽活动之谜的原创性思想。（李四光.1973）

1976年，作者具有类似想法的“地壳运动力源探索”一文在《东北地质》上刊出。（池顺良，1977）

找到驱动地壳底部物质水平迁移力的数学物理表达，及转化为动力的能量来源，现象论的“地槽－地台说”将上升为地壳运动的动力学学说。

1996年，我国学者在第30届国际地质大会上提出地壳运动由引潮力驱动的“转动机”理论－“地壳运动的内波假说” （池顺良，1996a）。

该假说指出：引潮力作用于地球整体，导致壳、幔圈层发生圈层间应力传递的相互作用，因对称性破缺转化出驱动莫霍面两侧壳、幔物质相向水平运动的驱动力系Fc。该力系强度虽弱但始终作用在全球莫霍面两侧令莫霍面“内波”自激生长，初始平坦的地壳系统出现厚、薄差别，厚的成陆、薄的为洋。

 “内波说”不是“板块说”的改进，从理论建立出发点、出发地域、运动驱动力、依赖的主导能源、物质运动形态、可阐明的地质史长度方面，两者均不相同。是两种不同思路的学术体系。有关内容可参阅文献。（池顺良、骆鸣津、杨洪之等，1996b，c，d；池顺良、骆鸣津，2002；池顺良，2018；池顺良，2019）

下面主要从物理概念方面介绍“内波说”。

2.“内波说”的要点

想详细了解“内波说”内容的学者，可参阅上述参考文献。下面慨要介绍“内波说”牵涉到的有关物理概念。

2.1. 地幔：“分异”还是“对流”？

地球形成后重力分异随即开始。重的铁镍物质集聚形成地核，较轻的成分形成地幔、从地幔中分异出更轻的物质上浮形成地壳（杜乐天，1998）。地球呈现明显的圈层结构。

被认为来自行星破裂碎块的陨石，存在从石陨石、石铁陨石、铁石陨石到铁镍陨石的整个系列。

地热学研究指出：“放射性热量随深度指数减小…一个具有花岗岩平均生热率的上地壳就足以产生来自地球内部的所有热流量”。（邦特巴思 G,1988）

放射性物质含量随深度按指数急剧减小。来自上地幔的橄榄岩，其放射性发热量只有花岗岩1/600。铁石陨石中放射性成分只有橄榄岩1/5000，铁镍陨石中几乎不含放射性成分。（周惠兰，1990）

“如果说地球内圈物质的各种形式的对流机制有一定根据的话，则地球内圈物质圈层分化机制的根据就要更加充分得多。”（盖保民，1991）

地幔不对流、圈层结构的地球，雄伟的地壳运动如何能够发生？

2.2..壳、幔间“圈层相互作用”引起地壳运动

地幔不对流、圈层结构的地球，因发生周期性潮汐变形，壳、幔圈层间发生传递应力和变形的力学相互作用。

人类生活在大气圈中，地表有大海和沙漠。我们能看到：海面上风吹出现波浪，沙漠中风吹形成沙丘。

开阔的沙漠上有许多大小不同的丘阜和隆起，就像大海中的波浪。隆起的沙丘呈平行排列或弧形的山脊，有些发展到极大的规模，伊朗南部的沙丘高达200m。这些平行排列成行的沙丘，连绵几百公里不中断。它们在风力作用下缓慢地移动；风从两侧反复吹来时，沙丘则在原地增长。在沙漠中的观察者无不对看到事物形态的简单、重演的精确性和几何的规则性而大为诧异。（拜格诺，1959）

受日月天体引力，地球在与天体连线方向被拉伸成椭球。随着地球自转，形变峰不断转移，地球内部产生交变潮汐应力，应力值在10⁴ pa 量级，应变幅度10^-7，质点位移幅度达0.7米。（丁中一、王仁，1986）

交变潮汐剪应力在壳、幔圈层间传递时，因“剪切运动不稳定”性（易家训，1983），微小的界面起伏发展成界面波动，这类两种介质交界面上的波称为“内波”。对地质时间尺度的运动，壳、幔可简化为粘滞流体。两种粘滞流体交界面上内波的形成与发展，至今没有严格数学解。Jeffreys研究风成波时，在“迎风面”压力增强、“背风面”压力减弱的“对称性破缺”假定下，得到风成波形成的近似解。（钱宁等，1958）

与沙丘形成中，风将低处的沙粒推到高处，形成沙丘的过程类似。地壳与上地幔通过莫霍面相互发生交变剪切运动时，莫霍面下方的地幔物质被对方从低处推到高处；莫霍面上方的地壳物质则被对方从高处推到低处。推动莫霍面两侧壳、幔物质相向迁移的力Fc，暂称为“潮波驱动力”。 （图1）

图1.莫霍界面上壳、幔圈层间“潮波驱动力”Fc驱动界面两侧物质侧向迁移，界面波动进一步扩大。图件引自（池顺良，2019）

图1中，斜线和散点处分别为侧向迁移来的下地壳和上地幔物质。

莫霍面内波生长破坏了重力均衡，莫霍面隆起处下沉、沉降处隆升。外动力地质作用将隆起带地面物质搬运到沉降带沉积；隆起带减负、沉降带加负，隆起与沉降交界带形成深达地幔的大断裂。

找到地壳运动主导动力Fc的近似数学表达后，若在此力推动下在有限元数值模拟中重演地槽沉降与隆升活动过程，所提动力学机制就初步得到验证。

1991年，“内波说”列入《中国科学院测量与地球物理研究所》课题。结题时测地所召开“板块运动与地壳形变的内波理论”研讨会，三十多位从事大地构造、地球物理、空间大地测量及地震等研究人员参会。会议上介绍并讨论了近年发现的一些“板块说”难以解释的地球物理现象。会议认为“内波说”通过有限元数值计算，证明在引潮力作用下可得到类似地槽运动结果，初步支持了内波理论的假设。（高布锡、潘显章，1994）

图2.是在“潮波驱动力”Fc、重力、剥蚀搬运联合作用下，初始时刻界面基本平坦的二维壳、幔模型，经0.6 Ma、1.2 Ma时的地壳结构。图中显示了两条沉降带和三条隆起带，沉积地层厚度超过万米，地面高差达3000 m。

图2. 初始时刻界面基本平坦的二维壳、幔模型，在 “潮波驱动力”Fc、重力、剥蚀搬运外动力联合作用下，地壳剖面结构的演化。莫霍面内波波长约80千米。图件引自（池顺良，2019）

图2中地面沉降和隆升幅度约10千米。引起沉降、隆升垂直运动的是莫霍面两侧壳、幔物质约40千米的侧向水平迁移运动。

“槽台说”曾被称为垂直运动派，但不清楚垂直运动是因何发生的。新“槽台说”将垂直运动及更大尺度的物质水平运动统一了起来。

“内波说”将“波动力学”引入地学。波动运动包含不同的波长，图2中80千米波长的莫霍面内波属于短波，长波构造的生成需要大尺度的生长空间及更长的生长时间。

对连绵四大洋，总长6万千米的全球大洋中脊山脉宏图体系，目前提出的解释：海底扩张的结果。

“内波说”认为：全球洋中脊海底山脉体系宏图，是全球莫霍面内波系统中的长波部分，在洋底没有剥蚀作用干扰相对稳定环境下，经数十亿年时间生长形成；不像陆地上回返隆起形成的山脉，因为存在剥蚀搬运外动力地质作用，高耸的大山脉亿年后就削平，之后再出现另一次造山运动旋回。

洋中脊山脉系统形成的“板块说”与“内波说”两种解释，何者为真？

钻透洋底地壳第3层，获知它的年龄就能给出判断。（池顺良，2019）

2.3.从地壳运动起始，演示海陆起源及演化全过程

地质学属于复杂性科学，复杂性来自长期演化过程中各种因素的混杂和叠加，原始的地壳系统结构并不一定复杂。犹如复杂的生命现象，最原始的生命形态相对简单，经数亿年演化后的生命形态越来越复杂。

初期经历了岩浆洋阶段形成的薄地壳，厚度是相对均匀的。当地球上有水时，全球地壳是被水覆盖结构简单的薄洋壳。

内波机制的特性是，薄地壳底部的玄武岩物质自动向厚地壳底部集中；或者说，厚地壳有吸引周围薄地壳底部物质变得更厚更大的能力。这一特点决定了厚度相对均匀的原始洋壳，必定会分化成薄的洋壳与厚的陆壳，形成海陆的对立。

设想全被海水覆盖的原始地球已分异出厚度大致均匀的洋壳，其上随机分布数百个地壳稍厚（或稍薄）的小区域。厚度稍大的洋壳吸引周围洋壳物质增大，再相互合并成数十个体形更大也更厚的块体。它们互相“吞并”，个头越来越大、个数却在减少，随着厚度增加，它们开始露出洋面成为陆块，这些陆块的数量已经不多，它们之间最可能的位置分布应该是相互远离的。随着大陆出现，剥蚀搬运外动力地质作用开始参与到构造运动中。

现今地球表面，大陆与大洋是正相对踵分布的。四个古老的大陆位于四面体四个角，四个大洋占据四个面所在位置。地球上几乎找不到一处陆地，它的对踵点仍然是陆地。以为是各大陆时分时合的“漂移”，现时正巧出现海陆对踵分布，应属小概率事件。

“板块说”现在尚未涉及地壳运动的起始问题。

其它，如大陆溢流玄武岩、深源地震、陆壳双层结构、大陆地幔根等，“内波说”都有与“板块说”不同的成因解释。（池顺良，2019）