重新认识我们的地球（之十）

热能的作用及地质内动力和外动力的对立统一关系

                        池顺良

 

地球内部的热与自转动能是地球能够支付地壳运动巨大能量支出仅有的两大能源。半个多世纪来，地球动力学主要以地球内部的热如何转化为地壳运动动力作为主要研究方向。这里提出的内波假说则以地球转动能作为地壳运动主导力源。但内波说并不轻视热的作用，内波说将热看作内波运动发生地点与运动速率的重要控制因素而予以高度重视，同时，内波假说也十分重视源自强大的太阳辐射能的外动力地质作用。

 

（1）  内波运动发生地点与速率的控制因素

  地球转动能转化为推动地壳运动的动力，需要经过许多中间环节，转化的流程大致如（图1）所示。

 
 图1.   地球转动能转化为推动地壳运动动力的流程图

     地月系统转动能，在日、月引潮力作用下引起地球潮汐变形，由于层间位移与应力传递，在莫霍面上产生了微弱的，然而是定向并长期作用的潮波驱动力。微弱的潮波驱动力作用在正常粘滞系数岩层上（η≈10²⁰ Pa•S～10²² Pa•S ），引起岩层的蠕变速率小于10^-16/ s ，如此微小的蠕变速率使大地构造运动实际上难以发生，该地区相当处于稳定大陆克拉通状态。但当莫霍面附近区域温度升高，岩石发生部分熔融；尤其当存在差异应力时，岩石流变强度强烈弱化，岩石有效粘度可降低3-4个量级。此时，在潮波驱动力作用下，岩层的蠕变速率可达到10^{- 12}/s～10 ^-13/ s ，该区域进入地壳运动活跃期（图2）。

    金振民对部分熔融(5%)的上地幔岩在剪切应力作用下岩石的动态熔融特性进行了实验和理论研究，取得重要结果。实验结果有力地证明，在剪切应力作用下，岩石动态熔融使流变强度发生强烈弱化、岩石等效粘度可降低几个数量级（金振民，Nature. vol. 372, pp.164-167, 1994）。在热积累和交变潮汐剪切应力共同作用下，莫霍面临近区域的下地壳及上地幔物质，由于等效粘度大幅度下降，使该区域微弱的潮波驱动力能够以较大的速率使下地壳及上地幔物质相向迁移引起莫霍面形成波动起伏。

图2. 不同大地构造类型的上地幔物质应变速率(ε)、等效粘滞度（η）随深度变化图（孙平等，地球科学，vol.21，No.1，1996）

            I．裂谷；Ⅱ，大陆拉张带；Ⅲ，克拉通

 

由此看来，地壳深部热积累是内波运动发生与运动速率大小的重要控制因素。另一方面，构造运动对热的积累又施加影响。如地槽回返后期，由于中央隆起致使上部地层广泛开裂及伴随的岩浆活动使地壳蕴藏的热能大量散发，最终导致地槽活动停顿。而处于沉降期的沉积地区，由于不断增厚的沉积地层覆盖，地槽沉降带上方就如加盖了一个地热反射层，使该地区深部热积累增强，引起上地幔热量积累及上地幔岩部分熔融，加速玄武岩浆分异上升垫托到地壳底部，地壳加厚总体抬升，成为大陆地壳增生的促进因素。

 

（2）构造运动旋回周期性的主要原因

    历史地质学指出，大地构造运动具有某种周期性。构造运动在全球各地此起彼伏地发生。加里东运动、海西运动或阿尔卑斯运动，我们在每个构造旋回中可以看到同样过程的周期重演。每个构造旋回期间，地壳运动按照类似的方式发展，但各个发展阶段又不是严格同期进行的。如果我们把同一旋回中相距很远的各地槽相对比，一个旋回各阶殷的经过也是不同的。例如，阿尔卑斯旋回各地槽拗陷的开始时期，各处都不相同，大致介于二叠纪和中白垩纪之间。

    回返经过的不同期性，也表现得很清楚。在加里东旋回中，大部分的回返发生于奥陶纪末，但在北阿巴拉契亚山，回返直到泥盆纪初才发生（Белоусов，B.B.主编，马万钧等译，大地构造学基本问题，1959）

    大地构造运动具有的旋回性及周期性，及周期运动的非严格同期性说明大地构造运动是具有某种控制条件操纵的自组织过程。某个过程的进行、终止与转变全依赖于演化条件的具备与成熟。这些条件中最重要的一条是构造地区的热积累与释放。

    根据地壳与上地幔中放射性元素的含量，可估算得：使稳定地台区莫霍面深度部位大致400 ～ 600℃温度上升到地槽活动带莫霍面深度部位通常具有的800 ℃以上的高温，大概需要1.5亿～3亿年时间（]侯得封、欧阳自远、于津生，《核转变能与地球物质的演化》，科学出版社，39-52页，1974）

由于潮波驱动力及莫霍面原始微小起伏全球各处都存在，只要温度条件具备了，该区域的构造旋回活动就总会发生。这就是全球大地构造旋回运动具有周期性，两次旋回间大体间隔约2亿年时间但又非严格同期的原因。

热能的积聚成为内波运动发生地点与速率的主要控制因素。

 

（3）地质外动力在地壳运动中的重要地位

 经典地质学在讲述地质内动力作用与地质外动力作用的关系时，强调两种作用都是连续的作用过程，有时内动力作用占主导，有时外动力作用占主导。内动力作用造成地形起伏而外动力作用总是力图减小地形起伏，抵消内动力作用造成的地形差异。主张地质内动力与外动力是对立统一的。

板块说引进了强大的驱动力源，可以驱使一个巨大的岩石圈板块强力插入另一板块的底部。具有如此强劲动力的理论体系无须考虑外动力作用存在与否，都不会影响动力事件的进程与结果，因而在板块说中很少讲述地质外动力的作用。

内波说则不然，它依靠潮波驱动力担任地壳运动主导力源。外动力地质作用使正向地形剥蚀，负向地形堆积引起的负荷重分布对潮波驱动力的驱动作用将产生巨大影响。（之四）～（之六）中关于地槽演化的有限元数值实验说明，地槽演化中，剥蚀搬运的外动力地质作用是必需的动力因素。前文已经指出，对于缺乏外动力作用的大洋底，在潮波驱动力驱使下形成的构造，由于潮波驱动力与已形成的莫霍面斜坡处重力恢复力间形成某种平衡，构造作用会停顿下来。相反，在大陆与海陆交界地带，由于存在强烈的地质外动力作用，内动力地质作用形成的地形差异时刻受到地质外动力作用的改造，始终达不到平衡状态，因而构造运动得以不断进行。

在内波假说中，地质内动力作用与地质外动力作用已成为一对相互依存的矛盾：地质外动力作用只有在地质内动力作用形成地形起伏后才能发挥；而地质内动力作用也只有当存在地质外动力的激活时才能持续进行。在内波说理论框架下，大地构造学终于有了一对相互依存的矛盾。

潮汐驱动力作用下的莫霍面内波成波作用、地热的高低决定物质的可流变性、剥蚀搬运的地质外动力作用引起的负荷重分布以及地球本身巨大的重力，这些相互联系的因素分别发挥各自的功能，促使地壳运动一幕接一幕地发生。

 

（4）全球构造理论中的物源问题

内波说是以地球自转能为主导能源的全球构造动力学假说。运动是物质的运动，所以地壳运动理论除了力源因素，地壳物质的来源是与力源并列的重要因素。根据地球化学研究，构成地壳物质初始成分的玄武岩浆来自上地幔岩的分异。地幔分异及陆壳、洋壳物质的由来，成为全球构造理论两大组成内容（力源、物源）之另一重要内容。

关于玄武岩浆如何由上地幔岩中分异，杜乐天研究员从微观上揭示了玄武岩浆如何由上地幔岩中发生、发育的过程。他的研究指出，地球内部的挥发性成分和超临界流体，即地球的排气在玄武岩浆形成中起着重要的作用。

关于玄武岩浆如何由上地幔分异形成洋壳与陆壳以及溢流玄武岩等有关物源方面的问题，将在以后讨论。

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