地球自转在全球构造运动中的主导作用

                        池顺良

1.“能量守恒”定律限制只有两种可能的地球动力学理论

大地构造学问世以来，冷缩说、膨胀说、各种脉动说、槽台说、地球自转速度变化说、大陆漂移说等学说，交替登台。互相排挤的构造运动假说数目之多是其他自然科学领域中罕见的。

大地构造运动每年释放出大量能量。单是地震活动每年就要释放出5×10¹⁸J能量。根据能量守衡与转化定律，这些能量必定是地球内部或外部的某种能量转化后释出的。

地球外部环境中，存在星际磁场、宇宙射线及星光辐射等外部能源。最大的是太阳辐射能，每年辐射到地球的辐射能达5.2×10²⁴J ,但绝大部分又辐射回太空中，只有极小一部分能穿入地下很浅的地方（十米以内），难以成为 “内动力地质作用”所需的能源。但太阳能在“外动力地质作用”中起着主导作用。

小行星对地球的撞击，产生巨大能量，但是陨击过程主要集中在38亿年前。

地球内部各种能源中，放射性热能和地球自转动能是最重要的两种能源。从地球生成以来，已释放的放射性热能约为6×10³⁰J～20×10³⁰J。释放的地球转动能约15×10³⁰J（傅承义、陈运泰、祁贵仲。地球物理学基础）。

地球从原始状态重力分异到目前的分层状态，释放出大量重力分异能。这部分能量最终也转化为热能和转动能。

其他能量，如地磁场总能量约为10²²J，量级上比热能和地球转动能小得多，数量上不够大地构造运动所需。

根据实测，地表平均热流值约0.06W/m²,地球通过地热流向外释放的热能达到每年9.4×10²⁰J；地球自转减速度约为2.8×10^-10/a ,由于地球自转速率的变慢，每年释放地球转动能达1.3×10²⁰J。

在地球内部能源中，从数量上只有热能和转动能有可能成为供给大地构造运动所需的能量来源。其他种类能量，因数量不足，不可能成为提供大地构造运动所需能量的主能库。

  因此，按能量来源，大地构造或地壳运动的动力学理论只有两类：

第一类是依靠地球内部热能为主导能源的“地球热机理论”。第二类是以地球转动能为主导能源的“地球转动机理论”。

现在有众多学者在“热机理论”领域作深入的探讨，研究“转动机理论”的人很少。下面的讨论指出，全球构造运动真正的驱动能源其实是地球自转动能。

能流的概念是乌莫夫、坡印廷提出的，在追踪能量的传递和转换中很有用。各种能量如电磁能、机械能、热能等均有相应的坡印廷能流矢量。

物体中因应力和位移产生的坡印廷机械能流矢量S_i为：

       S_i＝－T_ij•V_j                       （1）

式中：T_ij为物体中的应力张量，V_j为质点的位移速度。

一种力只有当其同时在物体中既产生应力，又产生运动速度，才能形成能流，此种力能才有转化为其它形式能量的可能。地壳中潮汐机械能流可达到～0.1W∕平方米，比热能流还大。

日月引潮力将地球物质吸引到地－月连线方向，形成形变峰。随着地球自转，形变峰不断转移，地球就像有生命的物体一样伸缩、呼吸，巨大的能流不断在地球周身流动，使地球的自转动能这一巨大的潜能有了转化的可能。

潮汐剪应力的全球纬度分布具有在45°纬度处最大，到高纬度急剧减小的分布特点。（图1）

图1.  潮汐剪应力相对幅度的纬度变化

地球因为有构造运动而被看成是活动的、“有生命”的星球。就像人有脉搏、呼吸标志着生命活动一样。如果我们用仪器来给地球“把脉”，同样可以模到地球的脉搏。图2.是在鹤壁和泰安记录的地球的固体潮“脉搏”。正是这种强劲的固体潮形变机械能流，给地球带来了活力。

图2. 地球中的潮汐应力、应变记录。

    记录中最显著的成分是起因于日月引潮力和地球自转的潮汐应力应变。发生大地震时叠加在潮汐上的地震应变幅度也不小，但只是偶然出现。

构造运动由振荡运动、褶皱运动、断裂运动、地震活动和岩浆活动等组成。假定一个地区地震活动释放能量与该地构造运动强度成正比，我们就可以通过地震能量的计算得到构造运动强度的纬度分布。

图2是全球7级以上大地震释放能量随纬度的分布。由图可见，全球地震活动释放能量随纬度的分布有两个明显特征：一是纬度高于73°的地区没有7级以上地震，说明两极即地球自转轴所在的地区是地壳构造运动不活跃地区。二是南、北两半球地震活动的明显不对称。在北半球可以看到地震活动峰值带位于40°纬度带的现象；但在南半球，除了极区地震活动微弱与北半球相似，南纬40°度带并无明显的能量释放峰值。

图2. 全球地震释放能量的纬度分布

发生在地球上的自然现象大都具有南、北半球对称的特性，如昼夜、四季、气候分带等。地震作为发生在地球上的自然现象，南、北不对称的原因究竟何在？是否可以在考虑某种因素后使对称性恢复？

在地球上，南、北半球另一个明显的不对称现象是两半球大陆面积的不对称。如果我们统计单位陆地面积地震释放能量随纬度的分布，就能得到南、北半球对称的结果。这个统计量的物理意义类似光学中的“发光亮度”，不仿称为“单位陆地面积地震能量发射强度”。图3显示了统计结果。“单位陆地面积地震能量发射强度”的峰值对称地出现在南、北纬35°—45°地带，最大强度达到1×10^-4W/m²。

潮汐机械能流中有约千分之一转化为地震活动能释放了出来。

图3. 单位陆地面积地震能量发射强度的纬度分布

“单位陆地面积地震能量发射强度”的纬度分布特征清楚地表明了“构造运动”与地球自转有密切的内在联系。两极地区是地球自转轴通过的地方，是球面上的“奇点”，因地球自转而产生的转动离心力、固体潮汐应力在两极地区都取极小值。两极地区为何缺少地震一直是令板块说困惑的事，但在一个“转动机类型”的理论体系中则是十分自然的事。

全球地震释放能量的分布特征支持“转动机理论”而非“热机理论”。

我国著名地质学家李四光，从上世纪二、三十年代开始，创立了以地球自转速度变化为动力来源的“地质力学”，并在六、七十年代盛极一时。

李四光认为地球自转速度变化产生的变化离心力是产生构造运动的动力。

“地质力学”的提出，是中国科学家独立探索全球构造的重要尝试。一些著名力学家被邀请参加研究，帮助寻找地球自转速度变化如何推动地壳构造运动的具体力学机制。但是力学家们的计算却指出，地球自转变化离心力十分微弱，依靠这一机制是不可能产生构造运动的（变化离心力场引起的机械能流不到潮汐机械能流的千万分之一）。

离心力是地球惯性转动效应。惯性转动不能使地球自转能转化。一个太空中孤立转动的星体，由于角动量守恒，它的自转能释放不出来。没有能量释放就没有可转换为构造运动的能量。

但李四光没有按照力学家们的研究修正他的理论观点，“地质力学”最终没有找到地球自转推动大地构造运动的物理作用环节。

5.地球自转只有通过“潮汐作用”环节才能完成能量转化

地壳运动是一种能量耗散过程，需要的能量如果来自地球转动能的转化，根据能量守衡与转化原理，只有地球的转动能被消耗，才有可能将转动能转化为地壳运动能。－没有支出拿什么消费。这是最简单不过的道理。

唯一能够减慢地球转动速率并且消耗转动能的力学过程就是地球自转时受到月亮和太阳引潮力产生的潮汐作用。因而，潮汐作用必定是推动大地构造运动的“地球转动机理论”中必不可少的物理作用环节。

地球自转因潮汐作用而减慢也已为天文学及化石资料所证实。

李瑞浩在《重力学引论》中指出：“地球在引潮力作用下周期性受迫运动产生巨大的潮汐应变能，因地球的粘弹性，一部分应变能将在地壳和地幔中消耗掉。其消耗方式可能有两种：一是摩擦过程中转化为热能；二是可能在地壳和地幔的弹性特征（拉梅系数λ，μ；密度ρ）不连续的地方以构造应变能的形式贮藏起来。”

莫霍面就是地壳和地幔的弹性特征不连续的地方。在接下来的几篇中将阐明巨大的潮汐应变能如何在这里转化为构造应变能贮藏起来，并在破坏平衡的“外动力地质作用”激发下引发构造运动。