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2020中国地球科学联合学术年会专题报告:一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型
wja2019 2020-10-29 12:34
2020 年 10月18日-21日 ,中国地球科学联合学术年会在重庆召开,本人在第 1 专题 “岩石圈构造与大陆动力学”会上作了“一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型”的报告。下面是报告的内容:
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地心应力高估了4倍? - 2020造山带岩浆岩高级研讨会
热度 2 maoxp9 2020-9-27 11:10
2020造山带岩浆岩高级研讨会会议上,我报告了地球内部的周向应力观点,认为目前地心应力估计过高,为360GPa,实际可能低于94GPa,高估了4倍! 会议由南京大学主持 (2020年9月26-27日) ,在南京仙林校区国际交流中心召开的学术会议上,我做了大会报告,提出了岩石圈的球壳效应,导致水平挤压应力大于垂直应力。在会上,从理论推导、模拟实验和实际野外观察综合分析后阐明了周向应力的观点。同时,还用浅显的背斜构造、石拱桥受力来阐述了岩石圈的球壳效应。如下图所示 图1周向应力的作用方式 提出了周向应力会在岩石圈薄弱处释放,如拱桥垮塌一样。这是静力学问题,因局部出现了失衡,地壳相对运动就产生了,核心是“局部事件”。最后,落到实处,认为汶川地震并不是印度板块的推挤造成的,而是地壳均衡作用,产生了青藏高原与四川盆地的差异升降作用,青藏高原高地形强烈剥蚀,欠均衡而抬升,4mm/yr;川西坳陷山前带沉积,轻微下沉1mm/yr,二者一升一降,导致了龙门山断裂带下的岩石圈破损,周向应力(压应力)释放所致,如下图所示为该地区的地形、地质剖面图,及地壳垂直运动平均数据。 图2汶川地震同震破裂强度及地壳垂直位移 从上图的汶川地震的同震破裂可以看出,很多构造现象,天然地震,先存断裂等并不是大规模的“构造运动事件”-如印度板块碰撞欧亚板块 - 所致,而是一个局部构造调整现象,或局部构造现象,如汶川地震、庐山地震、唐山地震等,其破裂强度最大为震中,向外距离越远,破裂程度越低。任何力学物理实验都能证明,应力作用点处破裂最强,远离作用点处弱(此处无法反驳,除非中华传统武术中的隔山打牛功夫)。如下图所示,此图来自于本次会议所拍: 图3 推挤及破裂过程-作用点处破裂最大( 吉林大学,周健波 ) 同样,提出了郯庐断裂并不是一个完整的断裂带而延伸几千公里。这种先存断裂,从高精度三维地震勘探所解译的构造图中看出, 郯庐断裂在 渤东、渤南并不明显和连续;所“指认”的郯庐断裂在南东向剖面上只是一条很小的断裂,如下图顶部剖面图中部所示,剖面左面的多条大的、通天穿基底的断裂发育,它们若不是区域性断裂,那它们的“脸”往哪儿搁?这些大断裂方向却不完全是郯庐断裂的北东向,而东西向,北西向等,很多方向均存在,均为“毛毛虫”断裂,即无头,无尾,还是弯曲的,反映是一个局部事件所引起的破裂构造,更谈不上太平洋板块俯冲了。如下图所示,为郯庐断裂在渤中、渤东及渤南凹陷的高精度三维地震勘探构造图中的表现 图4 郯庐断裂的存在性分析 还有很多例子,无一例外的是这样的表现。如下图,为塔中发育了走滑断裂。再强调一遍,很多盆地的构造图也是这样,无一例外! 图5塔里木盆地塔中地区某层反射层构造图 由于在以前的博文中已详细阐述了周向应力的思路,在这里暂且不多表了。 这里想强调一下本博文最重要的点是,现在地幔岩等其各种深部温、压条件的推测,是基于直角坐标系下的线性叠加分析或垂向积分而得到的。下图是被作为经典的地球内部应力随深度变化的曲线,地心应力为360GPa 图6地球内部应力随深度变化的曲线 大致是这样一个计算,如1km水深是10Mpa,地球平均密度为5.8g/cm 3 ,按半径6370km计算,得到的地心应力为6370km*5.7g/cm 3 *10≈360GPa。 事实上,分析其错误,如下图所示。(a)为直角坐标系,从地表到地心,按平铺,地心的受到的应力为上覆岩层的重力应力之和(考虑了加速度的变化),垂向应力和水平应力老死不相往来,最后得到最底部地心的应力为上覆各层的叠加,为360GPa,而右侧(b)则使用了球坐标系,得到地心所受的应力不是上覆所有物体的重量之和产生的应力。按钱伟长教授的计算,大约为94GPa。二者相比,目前的认识,比94GPa高了足足4倍! 钱伟长教授的理论地球模型虽未考虑流变性,但地核是固态,地层之间具有剪切约束,符合类似于拱桥的侧向支撑的原则,但钱先生未提到这种侧向支撑效应。94GPa和360GPa的偏差,其实就是一种周向应力的侧向向支撑效应,很多重量被侧向(水平”方向、或环向)所支撑,使其向下的压力/应力减小。 (a)直角坐标系 (b)球坐标系 (c) 图7地球内部受力分析示意图 图(c)表达了传统认识地心的压力,将地壳、地幔、地核当成平板,一层一层叠起来,任一点的应力等于上覆地层压应力之和。其中,地壳+地幔为146GPa;地核205GPa,合计为351GPa,近似为360GPa 。 下图为钱先生著作的原文(P336): 图8地心应力的理论计算结果(钱伟长,19956) 式(11-45)中的结果9.4*10 11 g/cms 2 即是94GPa。加拿加嵇教授说其推导可能有错,但我不信。若考虑流变性,实际地心应力应比这个还小得多,甚至为0GPa。 据此,我们的核幔边界、壳幔边界处的应力也该随之做修改,这是难以避免的。 参加此次会议的有多位院士,专家,如郑永飞、许志琴院士、周院士、地科院王涛教授、中国地质大学郑建平教授等。下面是会场情况: 图9 会场大屏 图10 南京大学杰出青年王孝磊主持会议(岩石地球化学委员会新任主席) 图11 郑永飞教授作报告 图12 地科院地质所王涛教授做报告 图13东北大学刘博教授做报告 图14 郑建平教授主持会议 图15 吉林大学周健波作报告 图16 我的汇报现场 图17 汇报近景 图18 会议部分日程 图19广州地化所刘涛教授做报告 在此感谢南京大学曾罡教授,将我的汇报安排得如此靠前。 2020年9月27日于南京南-北京南的复兴号高铁上。 补充: 在此还感谢原成都理大学的陈津民教授,他于1993年计算了理论地球模型下的地应力物征。经与陈津民先生交流,他认为钱伟长教授的计算结果可能有问题。 他用了他1993年的文章中的地球的应力,经向位移公式: w=Ar十B/r 2 十(1十u)(1-2u)fr 2 /4(1-u)E 其中f为体积力,u为波松比,当时是讨论地壳应力,所以体积力f为常量,密吝2.84克/cm 3 ,重力加建度9.8m/S 2 。現在讨论内部应力,最简单的办法体力仍为常数,密度5.8克/cm 3 ,重力加速度度7.3m/S 2 ,外压力和钱一样为零,地心外压力为有限值,今B=0,因为钱体力有r.所以我们的位移解比钱(r)低一次。得经向应力Tr=EA/(1-2u)十fr/2(1-u),r=6370Km,Tr-=0,得EA/(1-2u)=fb/2(1-u),得Tr=-fb/2(1-u)十fr/2(1-u),地心压力Tr=fb/2(1-u),若波松比取0.3~0.5,则地心压力为(193~270)GPa。 并认为钱伟长有一些错误: 钱伟长还有一个错误,(3-n)/(1-n)近似等于3~4,其中n为波松比,只有n=0,才能得3,所以94GPa是泊松比为零得到的,显然 泊 松比不能为零。如果n=0.33,(3-n)/(1-n)=4,94GPa将变成125GPa。 再加上我们重力加速度均值7.3m/S 2 ,而钱伟长的重力加速度均值只4.9m/s 2 ,如果钱把均值提高到7.3m/S 2 ,地心压力就捉高到187GPa (我对陈先生计算的批注:沉积盆地平均泊松比为0.25,所以,陈先生取大了些,一般认为深部泊松比可以低至0.2,若取0.2,则实际为164GPa。也就是说,无论取什么参数,这种球壳效应是存在的。 关于泊松比,这里查到内核泊松比为0.44,剪切波速度为3km/s- Belonoshko,2007;地壳为0.2,地幔为0.27- Sheorey,1994 ) 参考文献 钱伟长,叶开沅.弹性力学,科学出版社,1956, pp336. 陈津民. 地球的应力:球壳型重力应力的理论公式 . 成都地质学院学报, 1993, 20(1):109-117. Belonoshko A B,Skorodumova N V,Davis S et al. Science,2007,316:1603 Sheorey P R . A Theory for in-Situ Stresses in Isotropic and Transversely Isotropic Rock . International Journal of Rock Mechanics Mining ences Geomechanics Abstracts, 1994, 31(1):23-34.
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一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型(一)
wja2019 2020-1-11 15:27
一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型 A Geodynamics Model Based on Cosmic Expansion 目录 摘 要 ... 1 Abstrct 2 关键词 ... 2 Keywords . 2 1 .引言 ... 2 2 .地球动力与宇宙膨胀的关系 ... 3 2.1 .天然金刚石及各种晶体矿物质在地球表面的形成、陨石矿物质密度普遍大于地球的,这些事实提供了随着宇宙膨胀原子不断变大的证据 ... 3 2.2 .火山喷发伴随气体的产生以及火山喷发年代越近火山石的密度越小提供了随着宇宙的膨胀地下岩浆不断产气膨胀的证据 4 2.3 .地球大气层的形成、维持及变化提供了随着宇宙的膨胀地下岩浆在持续产气的证据 ... 5 2.4 .地球膨胀的证据 ... 6 2.5 .用宇宙膨胀地球动力学模型解释地球地貌的形成及变化 ... 6 2.6 .用宇宙膨胀地球动力学模型解释火山喷发现象 ... 7 2.7 .用宇宙膨胀地球动力学模型解释各种地震的成因 ... 7 2.8 .用宇宙膨胀地球动力学模型解释主要地震现象 ... 8 3 .讨论 ... 13 3 .1 .关于地震的预报 ... 13 3 .2 .地震的消除及地震能源的利用 ... 14 3 .3 .地球冰河期成因的猜想以及冰河期地球岩石圈收缩造山的可能性探讨 ... 14 4 . 结论 ... 15 参考文献 ... 15 摘 要 本文从物理基本原理和各种自然现象两方面分析论证了地球动力与宇宙膨胀的关系,得出了宇宙膨胀是宇宙中所有行星构造运动的动力源的结论。地貌的形成与变化、地震及火山喷发的能量均来自于宇宙的膨胀。随着宇宙的膨胀,宇宙空间的能量密度在不断下降,宇宙中所有物质的原子分子在不断变大,岩浆在持续膨胀并不断产生气体。随着地球内部液压和气压的不断上升,这些聚集在岩浆内的机械能就形成了地球各种构造运动的驱动力,这些能量和物质(膨胀的岩浆以及高压气体)的释放导致了地貌的形成与变化(如造山运动、造陆运动、地球板块的形成,地球的膨胀、海底扩张及大陆漂移等),并且导致了地震及火山喷发的产生。本文还根据宇宙膨胀地球动力学模型给出了各种地震尤其是深源地震的成因,解释了几乎所有已知的地震现象,给出了地震预报的基本原理与方法、为未来地震的消除以及地震能量的开发利用指明了方向。本文还利用相同物理基本原理对地球冰河期的成因给出了一个解释。 Abstrct In this paper, the relationship between the geodynamics and cosmic expansion is analyzed and demonstrated from the basic physical principles and various natural phenomena, and the conclusion is drawn that cosmic expansion is the power source of all planetary tectonic movements in the universe. the energy for the formation and change of landscape and the energy of earthquakes and volcanic eruptions all come from the cosmic expansion. With the cosmic expansion, the energy density of space is decreasing, the atoms and molecules of all matter in the universe are growing, and the magma is expanding and producing gases. As the earth's internal pressure rise, the mechanical energy that accumulates within the magma forms the driving force of the earth's various tectonic movements, and the release of these energy and matter (expansive magma and high-pressure gases) leads to the formation and the changes of the landform (such as orogenesis, epeirogenesis,the formation of the earth's plates, the Earth expansion, the seafloor spreading, and the continental drift), as well as to earthquakes and volcanic eruptions. In this paper, the causes of all kinds of earthquakes, especially deep focus earthquakes, are given and almost all known seismic phenomena are explained , the basic principle and method of earthquake prediction are given, and the direction is pointed out for the elimination of earthquakes and the utilization of earthquake energy. This paper also gives an explanation of the origin of the ice age by using the same basic physical principle. 关键词 地球动力学,构造运动, 海底扩张,大陆漂移,造山运动,造陆运动, 深源地震,地震预报,冰河期 Keywords geodynamics, t ectonic movement, seafloor spreading, continental drift, orogenesis, epeirogenesis, deep focus earthquakes, earthquake prediction,ice age 1 .引言 地球动力学( geodynamics )是研究地球大尺度运动或整体性运动的各种力学过程、 力源 和介质的力学性质的学科。地球固体部分发生的力学现象多种多样,形式复杂,内容丰富。地球动力学的任务就是分析这些现象,并透过这些现象寻求其力学机理,掌握这些现象出现和变化的规律 , 预期它们今后的发展趋势。为此 , 必须了解推动和支持这些现象的力源和地球介质的力学特性。过去一百年地球动力学的各种学说不胜枚举,目前主要存在以下假说: 1) 地球收缩说; 2) 地球膨胀说; 3) 地球脉动说; 4) 地球自传说; 5) 重力分异与重力作用说; 6) 地幔分异与对流说; 7) 层块构造热涌说; 8) 热点地幔柱说; 9) 星际作用说 任何一个合理的地球动力学假说至少满足 3 个条件【马宗晋】: 1) 能对全球的构造特征及其空间分布规律、构造演化过程作出解释; 2) 所依赖的动力因子既有足够的能量,其作用方式又能合理地说明构造变形场的特征; 3) 符合物理学的基本原理和地球内部物质的物化性质。 以上述 3 个条件来衡量,迄今为止还没有一个假说是完善的。 20 世纪 60 年代 , 地球科学经历了一场影响深远的革命 , 板块构造学说使我们认识到我们人类赖以生存的这颗行星的表层被分隔成若干个一直在不停运动着的刚性板块。地球是一个充满活力、具有动力学意义的行星 , 它被来自深部的力所驱动 , 引起地震和火山 , 造成山脉隆升和海底扩张 , 并逐渐改变地球的表面形态 , 从而塑造了地表蔚为壮观的自然景观并给人类文明带来丰富的矿产资源。 然而 , 这场革命并没有结束 , 因为促使行星运动的驱动力的来源和性质尚不清楚” 【 1 】。 综上所述,目前地球动力学模式(型)不完善主要是因为促使行星运动的驱动力或能量的来源问题没有解决的原因。 本研究的目的就是要给出促使行星运动的驱动力或能量来源并提出一个较为完善的地球动力学模型。该模型不仅要符合物理学的基本原理而且还能够合理的解释地球的各种地质构造运动如造山运动、造陆运动、板块的形成、地球膨胀、海底扩张以及大陆漂移等,给出火山喷发和各种地震尤其是深源地震的成因,给出地震预报的基本原理与方法,为未来地震的消除以及地震能量的开发利用指明方向。 未完待续
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宇宙膨胀地球动力学 Geodynamics Based on Cosmic Expansion
wja2019 2019-12-17 11:30
摘 要 本文分析论证了地球动力学(包括地震及火山喷发)与宇宙膨胀的关系,得出了宇宙膨胀是宇宙中所有行星动力学(包括地震及火山喷发)的动力源。地貌的形成及变化、地壳运动、地震及火山喷发的能量均来自于宇宙的膨胀。随着宇宙的膨胀,宇宙空间的能量密度在不断下降,宇宙中所有物质的原子分子在不断变大,岩浆在持续膨胀并不断产生气体。随着地球内部液压和气压的不断上升,这些聚集在岩浆内的机械能就形成了地球的动力,这些能量的释放导致了地貌的形成与变化,而且源源不断地以地震及火山喷发的形式释放出来。 Abstrct This paper analyzes the relationship between the geodynamics (including earthquakes and volcanic eruptions) and the cosmic expansion, and concludes that the cosmic expansion is the power source for the geodynamics (including earthquakes and volcanic eruptions) of all the planets in the universe. The energy for the formation and change of the landscape, the energy for the movement of the earth's crust, and the energy of earthquakes and volcanic eruptions all come from the cosmic expansion. As the universe expands, the energy density of space drops, the atoms and molecules of all matter in the universe grow larger, and the magma continues to expand and produce gases. As the earth's internal hydraulic pressure and gas pressure continue to rise, the mechanical energy gathered in the magma forms the power of the earth. The release of this energy led to the formation and change of the landscape, and led to earthquakes and volcanic eruptions. 关键词 地球动力学, 地壳运动,海底扩张,大陆漂移,造山运动, 地震,火山喷发,大气层,宇宙膨胀 Keywords geodynamics, crustal movement, seafloor spreading, continental drift, orogenesis, earthquake, volcanic eruption, atmosphere, cosmic expansion 引言 地球动力学(geodynamics)是研究地球及其组成分运动、变形动力学过程,探讨地球运动和演化规律的科学 。过去一百年地球动力学的各种学说不胜枚举,目前主要存在以下假说: 一、地球收缩与膨胀说 二、地球脉动说与自转说 三、重力分异说与重力作用说 四、地幔分异说与对流说 五、热点地幔柱说 六、陨石撞击说 地球动力学合理性满足3个条件(马宗晋,2003):1)对全球构造特征及其空间分布、构造演化作出解释;2)动力学因素即有足够能量,又能解释地球变形场特征;3)符合物理-化学原理和地球内部物理化学性质 。迄今为止还没有一种地球动力学模式(型)是完善的。作者认为目前地球动力学模式(型)不完善主要是因为动力学机制(能量来源)问题无法解决的原因。 2 、地球动力学与宇宙膨胀的关系 由于宇宙的减速膨胀是宇宙空间能量密度变小的过程,宇宙空间能量密度的减小将导致宇宙中所有物体(包括原子、分子、星球等)的膨胀 。随着宇宙的减速膨胀岩浆原子不断变大并不断产生气体(原始空气),随着地球内部液压和气压的不断上升,这些聚集在岩浆内的机械能就形成了地球的动力,这些能量的释放导致了地貌的形成与变化,而且源源不断地以地震及火山喷发的形式释放出来。 2.1 大气层的形成、维持及变化 随着宇宙的膨胀,宇宙中所有物质的原子分子在不断变大。在地球早期,岩浆中的某些挥发性物质的分子例如氢和氦等小分子就会挣脱岩浆的束缚成为自由分子。这些自由分子在离开岩浆后在行星引力的作用下聚集在行星表面构成了行星的原始大气层。由于大气分子服从麦克斯韦速率分布律,每时每刻总有一定比率的气体分子的速率会超过第二宇宙速度,所以大气层的大气在不断流失到太空。如果没有气体的不断补充,地球大气层是不可能维持几十亿年的。正由于有地下岩浆所释放的气体不断补充大气层所流失的空气,所以地球大气层才能够长期保持至今。随着宇宙的持续减速膨胀岩浆原子在持续变大,从岩浆释放出来的气体的分子量也越来越大,大气层的成分在不断变化。在地球早期地下岩浆主要释放氢和氦等小分子气体,现在则主要释放氮 、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等大分子气体。 2.2 地貌的形成及变化 地球地貌如陆地、大洋、山、溶洞、山脉、盆地的形成都是宇宙膨胀造成的。地球板块的形成、海底扩张、大陆漂移也是宇宙膨胀引起的。 随着地球的冷却,地球表面慢慢地形成了一个固体的整体外壳-岩石圈。在地球岩石圈的形成过程中,也就是在地球表面还没有完全凝固的那个时期,随着宇宙的膨胀,地球内部所产气体的不断增加,这些气体会在岩石圈下面聚集形成一气体层。由于岩石圈物质结构的不同,各个部分冷却凝固的速度也就会有所不同。那些相对软弱的局部区域会被下面的气体隆起而形成山,没有隆起或相对隆起较少的部分形成盆地、平原或湖泊(没有水的洼地)。那些将岩石圈局部顶起形成山的气体最终会溢出地球并在地下留下排气通道(溶洞)。由此可知,溶洞的一端必与大气层相连而另一端必与地幔相连。岩浆的冷却接着将排气通道堵塞。随着地球的进一步冷却岩石圈进一步变硬,聚集在岩石圈下面的气体层会将部分板块整体向上隆起从而形成大陆,没有隆起或相对隆起较少的部分则形成了海洋(没有水的洼地)。随着地壳的形成及冷却以及大气层中水的含量的增加,这些空气中的水分子不断凝结成雨水并蓄积在地球表面的这些洼地内,由此形成了海洋和湖泊。 随着地球的进一步冷却,地球表面最终形成了一个固体的整体外壳-岩石圈。随着宇宙的持续膨胀,地球内部岩浆原子的不断变大,地球内部液压和气压的持续增加,地球岩石圈最终被胀裂成六大板块。由于海底的板块比较薄,所以六大板块的边界线几乎都位于海洋中如图1所示。随着宇宙的持续膨胀,地球内部岩浆在持续膨胀,这些膨胀的岩浆不断从板块之间的接缝涌出推动着板块相互远离,这就是海底扩张及大陆漂移的原因。另外,由于地球早期地下岩浆非常稠密所以地下岩浆在地球内部液压和气压的作用下可沿着板块的接缝挤出隆起形成山脉。 图1.全球六大板块分布图 2.3 地震及火山成因 火山的喷发和地震的发生也都是由于宇宙的持续膨胀使得构成地球(主要是地下岩浆)的原子不断变大造成的 。岩浆原子不断变大导致岩浆内气体(原始空气)的持续产生从而导致地震的发生。本 《宇宙膨胀地震成因理论》解释了几乎所有的地震现象 .2008年 汶川地震后的6月12日,《人物周报》以“王申存:独步地震领域的科研迷”为题,报导了他三十二年默默研究、探索地震奥秘的事迹,并将他写的《泄露天机----地震奥秘篇》1--- 4章全文发表。《泄露天机-----地震奥秘篇》,又名《地震新说》、《地震气爆论》,是著者王申存1976年7月28日唐山7.8级大地震不久,根据地震时出现的光(闪光)、声(爆炸声)、气(气体冲破地层腾空而起)、震(地震)“四象同源”的气体爆炸现象,受近邻一理发店锅炉发生气体爆炸事故时出现的类似现象启发提出来的,经多年艰难研究探索、模拟试验,终于在1981年10月初步完成了较系统的地震气爆理论,为地震世界难题的解决开辟了一条新的途经 。本《宇宙膨胀地震成因理论》与王申存先生的《地震气爆论》是完全吻合的。 3. 结论 宇宙膨胀是所有行星的动力学机制的动力源; 地球及所有行星地貌(大气层、山、溶洞、大陆、海洋、板块等)的形成和变化(海底扩张及大陆漂移等)以及地震及火山喷发的能量均来自于宇宙减速膨胀导致的行星动能的减少所释放的能量; 地震是由地下岩浆分离出的带电气体分子的聚集所形成的高温高压气体的爆炸导致的。 参考文献 Wang, J.A. (2019),The Modification of Special Relativity, Journal of Modern Physics , 10, 1615-1644. https://doi.org/10.4236/jmp.2019.1014107 B. Z. Houlton 1 , * , † , S. L. Morford 1 , 2 , * ,R. A. Dahlgren 1 , Science06 Apr 2018: Vol. 360, Issue 6384, pp. 58-62 王建安. 论地震及火山与宇宙膨胀的关系 . 汉斯预印本, 2019, 4(1): 1-6. https://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=29506 王建安 . 由宇宙膨胀地震火山成因理论分析解答各种地震现象 . 汉斯预印本 , 2019, 4(1): https://www.hanspub.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=29880 王申存, 新浪博客, http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1399906103_0_1.html
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一次重要的地球动力和地震成因研讨会
热度 3 liangguanghe1 2019-12-13 10:38
一次重要的地球动力和地震成因研讨会 - 记第二届大陆地壳动力学研讨会 梁光河 一、会议概况 中国大地构造学家在最近出版的《中国学科发展战略-板块构造与大陆动力学》一书中,认为板块构造理论虽然取得了巨大成功,但该学说依然存在其形成以来就存在的难题,即板块动力、板块起源及板块上陆三大问题。驱动大陆板块运动的动力机制是最为重要的问题,也是亟待解决的问题。 驱动地壳运动的动力问题是国内外学者正在探索的地球科学的首要问题,也是本次研讨会的第一个问题;第二个问题是地壳运动与地震成因机制的关系问题;第三个问题涉及中国国内的一个区域性大地构造问题,即郯庐断裂带的成因机制及演化历史问题,郯庐断裂带是我国东部最重要的地震带,也是研究地壳运动与地震成因机制关系的巨型走滑断裂构造。 针对这三个关键科学问题,由梁光河、毛小平、王成虎、刘银河、秦四清等发起召集,于2019年12月9日,在中国地震局地壳应力研究所召开了“第二届大陆地壳动力学研讨会”,赵文津院士特邀出席,并在会上作重要讲话。中国地震局应力研究所杨树新副所长代表承办单位介绍了地壳所近几年的发展情况,并欢迎各位专家学者到会交流。 本次会议重在交流讨论“大陆地壳动力学相关研究”的重要进展、主要观点与存在问题。会议吸引了来自中国科学院地质与地球物理研究所、北京大学、中国地质大学(武汉)、中国地质大学(北京)、中国地质科学院深部中心、国家地质实验测试中心、东华理工大学、防灾科技学院、中国石油勘探开发研究院、内蒙古地勘十院、伊春测报中心、中国地震局系统、地调局成都地调中心等二十余家单位的五十余位专家学者参与,参会的著名专家有:赵文津院士、杨巍然教授、万天丰教授、薛国强研究员、谢富仁研究员、杨树新研究员、季建清教授、曾普胜研究员、徐嘉谟研究员、陈志耕教授、池顺良高工、秦四清研究员、张宝林研究员、王成虎研究员、胡宝群教授、王瑜研究员、於文辉教授、万永革教授等,同时会议还吸引了十多位地球科学爱好者参会并参与讨论。 二、会议论文及交流情况 会议由谢富仁、梁光河、毛小平、刘银河主持,以“地壳运动与地震成因”、“地壳应力与地震触发机制”、“郯庐断裂带问题研究”三个专题进行了学术报告和深入探讨,共组织了16个口头报告。研讨会上,与会专家对“大陆漂移的动力机制”、“地壳运动与地震成因机理和预测预报”、 “郯庐断裂成因机制及演化过程”等关键问题进行了充分热烈的讨论。 研讨会上百家争鸣,梁光河根据大量观测事实提出了一个热动力驱动模式,认为大陆板块后面持续不断形成的热上涌以及造成的伸展构造和重力连续滑脱是驱动大陆板块运动的主要动力,并通过大陆漂移模式解释了地震的隐爆成因机制和深源地震及全球构造。王瑜提出软流圈的水平流动可以驱动板块,引起大陆汇聚。胡宝群认为驱动大陆板块运动的根源是重力和热力的合力,热力和重力叠加之后的地压梯度,在空间(垂向和横向)及时间上的差异及变化,是板块的驱动力。毛小平提出地壳运动是周向应力在岩石圈薄弱带的释放而产生的相对运动,并提出沉积地层中的高孔储集层中的流体有足够的数量和能量在断层破开瞬间可产生相当于8级以上的物理爆炸。刘银河根据榴辉岩的形成和分布特征,认为与现在的板块构造成因解释是矛盾的,流体可能在其中起到了重要的作用,超高温和超高压环境也不完全出现在地球很深的深度。陈志耕基于地球膨胀假说,认为地幔物质上涌以及重力均衡动力复合形成的全球构造动力是主要驱动力。谢富仁分析了中国大陆地壳应力测量现状与地震的关系,并从地应力角度分析了地震的成因,认为日本311大地震震前的强震活动成条带状集中分布主震两侧,与构造应力的主方向平行。大地震发生及以后,强震活动序列的震源机制解的结构发生较大变化。秦四清提出了锁固段在体积膨胀点处产生的高能级特征破裂事件(标志性事件)可作为该点的判识标志,亦为锁固段的断裂前兆,指出天然锁固段之间的力学作用遵循强作用模式。池顺良提出在固体潮作用下,在地幔与地壳之间的分界面的起伏可产生一种内波,以驱动地壳运动。於文辉基于深部地震资料反演,提出了超级地幔树的概念。万天丰和梁光河分别阐述和论证了郯庐断裂的形成机制和演化过程。王成虎汇报了郯庐断裂带山东段地壳应力测量的具体方法和意义。杨巍然提出了“开合构造”驱动模式,认为热力驱动物质上浮的运动为“开”,重力使物质下沉运动为“合”,二者联合作用驱动大陆板块发生水平漂移。 在自由讨论环节中,方曙、谭钦银、王水禄、石军柱、李安宝、付敏宗、吴承忠等来宾也介绍了自己对大陆漂移动力和地震成因机制的研究和认识。会后新老专家进行了热烈讨论。 三、取得的共识和存在的问题 本次研讨会取得如下阶段性共识: 1 传统的地幔对流传送带驱动模式存在很多与观测事实不符的问题,它难以合理解释地壳运动动力机制,地幔对流等传统驱动模式存在重大缺陷,需要重新认识驱动机制和驱动力的问题。认为重力、热力是驱动大陆板块运动的主要能量来源,也必须考虑地球的自转运动以及引潮力的作用。 2 传统的板块构造把大陆板块和大洋板块混为一谈是不合理的,无论从物质组成还是厚度以及形成年龄,二者差异巨大。因此在地壳运动中,大陆地壳和大洋地壳应该分开讨论,大陆地壳相对大洋地壳产生水平运动。 3 地震成因机制中除了传统的断裂运动释放的弹性应变能量,还必须考虑流体隐爆产生的能量。地壳应力的积累和地震的触发密不可分,当地壳应力积累达到临界极限就可能触发地震形成。 4 诸多地球物理证据说明,大陆板块运动的主要底界面是莫霍面,莫霍面是一个主滑脱面,康拉德面是一个次级滑脱面。因此板块运动或岩石圈运动应更名为地壳运动。 总之,针对地壳运动主要驱动力这个问题,多数专家有相似的观点,只是表述方式不同。大家都认识到地球深部的热流体上涌与重力的相互作用可能是大陆漂移的主要驱动力。 存在的问题是: 1 需要进一步研究的是把这种热力和重力联合驱动模式形象化、定量化,给出中国科学家的方案和模式。 2 在地震成因机制研究方面,需要加强地壳运动相关的大地构造研究,找出可行的预测预报方案。 四、会议决定 1 将针对具体大地构造和地震成因机制及地震预测预报等热点问题,定期不定期召开专题研讨会, 2 在中国地球物理学会或中国地质学会下申报成立 “ 地壳运动专业委员会 ” 。 3 今后的会议可考虑设立优秀报告奖、优秀组织奖、理论创新奖、新锐奖等。 经过一整天的研讨,大家收获满满,第二届大陆地壳动力学研讨会成果丰硕,圆满成功。 本次研讨会是继2019年1月25日在中国地质大学(北京)国际会议中心召开的“2019年第一届地球动力学学术研讨会”的深化和继续。上次的研讨会邀请了中国大地构造研究的诸多专家学者,参会的著名专家包括莫宣学院士、滕吉文院士、杨巍然教授、万天丰教授、葛肖虹教授、刘少峰教授等,叶大年院士、张国伟院士、任纪舜院士虽然未能参会,但也对这次会议的召开给予了极大支持。会后反映非常好,莫宣学院士评价说“感到会上百家争鸣,很有活力,是很长一段时间没有见到的。百家争鸣可以启发思维,打破禁锢,解放思想,必须坚持下去。但同时,又要有严格地科学论证,摆事实讲道理,以理服人,以证据服人”。
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论地震及火山与宇宙膨胀的关系
wja2019 2019-4-2 19:41
论地震及火山与宇宙膨胀的关系 摘 要 本文分析了地震及火山喷发与宇宙膨胀的关系,得出了宇宙的膨胀是所有行星地震及火山喷发产生的原因这一结论。地震及火山喷发的能量来自于宇宙减速膨胀导致的行星动能的减少所释放的能量。随着宇宙的减速膨胀,宇宙中所有物体都在膨胀,所有物质的原子分子都在不断变大,岩浆在持续膨胀并不断产生气体。随着行星内部气压和液压的不断上升,这些聚集在行星内部的机械能最终以地震及火山喷发的形式释放出来。岩浆释放的气体构成了行星原始大气层,并不断补充大气层因逃逸到太空所流失的空气,维持着大气层的存在。地下岩浆一旦全部冷却凝固,火山喷发和地震将立刻消失,大气层接着会很快消失。 关键词 地震,火山喷发,海底扩张,大陆漂移,地震火山成因,大气层,宇宙膨胀 Abstract In this paper, the relationship between earthquakes,volcanic eruptions and cosmic expansion is analyzed, and a conclusion is drawn that the expansion of the universe is the cause of all planetary earthquakes and volcanic eruptions. The energy of earthquakes and volcanic eruptions comes from the reduction of planetary kinetic energy due to the decelerating expansion of the universe. As the expansion of the universe slows down, everything in the universe is expanding, the atoms and molecules of all matter in the universe continue to grow, and the magma continues to produce gases and swell. As Earth internal pressure continue to rise, the mechanical energy accumulated in Earth can eventually be released in the form of earthquakes and volcanic eruptions. The gases released by the magma formed the planet's primitive atmosphere, which constantly replenished the lost air caused by escaping into space and maintained the atmosphere. Once all the underground magma is cooled and solidified, the volcanic eruption and the earthquake will disappear immediately and the atmosphere will then disappear soon. Keywords Earthquakes, Volcanic Eruptions, Seabed expansion, Earthquake and volcanic origin,Continental drift , Atmospheres, Cosmic Expansion 1. 引言 地震及火山喷发是宇宙膨胀所引起的自然现象。由于宇宙的减速膨胀是宇宙空间能量密度变小的过程,宇宙空间能量密度的减小将导致宇宙中所有物体 ( 包括原子、分子、星球等 ) 的膨胀 。地球原本是一个没有地壳的岩浆球,随着宇宙的减速膨胀岩浆原子不断变大,岩浆中的某些挥发性物质的分子例如氢和氦等小分子就会挣脱岩浆的束缚成为自由分子。这些自由分子在离开岩浆后在行星引力的作用下聚集在行星表面构成了行星的原始大气层。由于大气分子服从麦克斯韦速率分布律,每时每刻总有一定比率的气体分子的速率会超过第二宇宙速度,所以大气层的大气在不断流失到太空。如果没有气体的不断补充,地球大气层是不可能维持几十亿年的。正由于有地下岩浆所释放的气体不断补充大气层所流失的空气,所以地球大气层才能够长期保持至今。随着宇宙的持续减速膨胀岩浆原子在持续变大,从岩浆释放出来的气体的分子量也越来越大,大气层的成分在不断变化。随着地球的冷却,地球表面形成了一个固体的整体外壳 - 岩石圈。地球岩石圈的破裂成几大板块、火山的喷发和地震的发生都是由于宇宙的持续减速膨胀使得构成地球 ( 主要是地下岩浆 ) 的原子不断变大造成的。如公式 (9.2) ,或 (9.5) ,所示。随着宇宙的减速膨胀,宇宙中所有物质的原子分子在不断变大,所以地球内部的岩浆和固体的岩石圈都在膨胀。由于在相同条件下,液态岩浆的膨胀率大于固态岩石的膨胀率,所以地球内部岩浆的液压会不断增大。另外,如前所述,宇宙的减速膨胀会导致岩浆不断产气 ( 在地球早期地下岩浆主要释放氢和氦等小分子气体,现在则主要释放氮 、二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等大分子气体 ) ,所以地球内部的气压也会越来越大。随着地球内部液压和气压的不断上升,最终地球表面的这个整体的岩石圈被胀裂成几个大板块,这就是地球板块形成的原因。 随着宇宙的持续减速膨胀地球内部的岩浆在不断膨胀并不断从大陆板块之间的缝隙处喷出使得大陆板块之间的缝隙不断加大,这就是为什么大陆板块不断相互远离即大陆板块漂移或海底扩张的原因。 岩浆内气体的产生应当是导致地震和火山喷发的主要原因。由于岩浆非常稠密,分离出来的气体在岩浆内会形成不易流动和破裂的高压气泡。随着岩浆内高压气泡的不断聚集以及气压的不断增加,大陆板块的结合处的凝固层会被撑破出现裂缝从而导致裂缝附近的高压气泡向裂缝的流动并在裂缝处破裂 ( 爆炸 ) 既地震的发生。这些夹杂着高压气泡的发泡岩浆也会不断向火山口移动并从火山口喷出 ( 火山喷发 ) 。 由于岩浆产气是在地幔和地核的高温环境下产生的,所以这些气体分子应当都是被电离的了,都是带电离子。由于地幔中的液压非常大,所以这些气体是高温高压带电气体。大量高温高压带电气体在地下的突然释放必然会产生由大爆炸、强电流以及高温强气流所导致的现象既地震现象。这种高温高压带电气体在地下的大量聚集和泄露也必然会对上方地面的气温、气象、地磁场以及地貌等产生影响,也就是说会导致震前自然反常现象的产生。 由于地球早期地下岩浆的原子分子非常小,岩浆的比重非常大非常稠密,所以地下岩浆形成的高压气泡所蕴含的弹性势能可以非常大,由此可知地球早期的火山喷发和地震比现在的要猛烈得多。另外,由于地球早期地下岩浆非常稠密所以地下岩浆在地球内部液压和气压的作用下可沿着大陆板块的接缝挤出隆起形成山脉。 我们可以计算一下地球几十亿年间由火山所喷发出来的岩浆总量。如果不是地球在膨胀 ( 岩浆在膨胀 ) 那该如何解释如此之多的多余岩浆的来源?如果不是宇宙的减速膨胀导致地下岩浆持续不断地释放气体,那地球大气层又怎么能够在不断有气体分子逃逸的情况下保持几十亿年并不断改变大气的组成成分 ?如果不是宇宙的减速膨胀不断地将地球的动能转化成地震和火山喷发的能量,那么几十亿年来造成火山喷发和地震的能量又来自何处?如果地下岩浆没有不断膨胀,那从火山喷出的岩浆为何比重越来越小 ( 可测量不同年代火山口附近岩石的比重加以证明 ) 。 Figure 1. 6-angled basalt volcanic rocks from the ancient crater 18 million years ago in Changle North Rock, Shandong Province. The volcanic rocks are much denser than the volcanic rocks in the crater of the volcano, shown in photoe 2, about 13,000 years ago 图 1. 山东省昌乐北岩 1800 万年前远古火山口的 6 棱玄武岩火山石。这些火山石的密度明显比图 2 所示的距今约 1 万 3 千年前火山口的火山石的大得多 Figure 2. Volcanic rocks from Shishan volcanic group about 13,000 years ago, in Haikou, Hainan province, The volcanic rocks are much less dense than the six-sided basalt rocks in the ancient volcanic crater of 18 million years ago shown in photo 1, and the pores in the volcanic rocks are much larger and denser 图 2. 距今约 1 万 3 千年前的位于海南省海口市的石山火山群的火山石。这些火山石的密度明显比图 1 所示的 1800 万年前远古火山口的 6 棱玄武岩火山石的要小得多,所含的气孔也大得多密得多 火山喷发和地震的能量来源为宇宙减速膨胀所导致的地球惯性质量的减小所释放的能量,如公式 (4.3) 和 (4.4) 所示。火山喷发和地震的能源来源与核反应的能源一样都遵从质能公式 (4.2) 。关于火山喷发和地震的能量来源,这是目前唯一能够给出的合理答案。 可以预言:地球上火山喷发和地震将持续下去直至地球内部的岩浆全部冷凝成固体 ( 就像现在的月球或火星一样,月球及火星,由于质量比地球小得多,其内部的岩浆早已凝固,月球及火星上的火山喷发和地震早已停止了,月球及火星大气层也基本消失了 ) 或宇宙停止膨胀开始收缩。 2. 地震现象的解释 2.1. 地震发生过程中伴随的现象之解释 根据梁光河发表在《百科知识》 2016 年第 14 期的《地震新知》一文 ,地震会伴随如下现象的发生:地下大爆炸、电磁现象的异常以及金属的形成。下面就根据本理论对上述地震现象加以解释。 2.1.1. 地下大爆炸现象的解释 根据本文的理论,地震主要就是由于宇宙的持续减速膨胀使得地下岩浆不断分离出气体 ( 现在分离出来的主要是氮气和二氧化碳 ) 造成的。由于岩浆非常稠,分离出来的气体在岩浆内会形成不易流动和破裂的高压气泡聚集在地壳下面。随着岩浆内高压气泡的增大增多以及气压的增加这些高压气泡聚集的能量越来越大。这些高压气泡不断在地壳下寻找可以释放的突破口释放。由于大陆板块的结合处的凝固层比较薄弱所以容易被撑破从而导致高压气泡的释放。高压气泡的破裂既弹性势能的突然释放 ( 爆炸 ) 从而导致地震的发生。由于每处地壳结构的不同,这些高压气泡的爆炸点可以在地壳下 ( 深源地震 ) 也可能在地壳中接近地面的地方 ( 浅源地震 ) 。 2.1.2. 地震伴随的电磁现象的解释 归纳起来地震伴随的电磁现象有 a) 产生强电流; b) 震区附近电磁场发生突然变化; c) 产生地震光。 根据梁光河文章 中的介绍,地震产生的电流非常强。里氏 6 级地震产生的电流高达 10 万安培,里氏 7 级地震产生的电流高达 100 万安培。而常见的家用电表的最大电流一般不超过 60 安培。如此强大的电流是怎样产生的呢?由于地震气体是在地幔和地核内产生的,在地幔和地核的高温条件下气体都被电离了,所以当地震发生时大量离子态气体在地壳中的快速流动就会形成强大的电流并产生强大的磁场使得震区附近电磁场发生突然的变化。地震发生时由于有大量高温离子态气体从地下释放出来进入空气中,因此会导致地震光的产生。 2.1.3. 地震生成金属的解释 由于地震气体是在地幔和地核内产生的,所以这些气体的温度非常高。地震发生时大量高温气体在地壳中的流动会使途经的地壳矿物质熔化并产生还原反应而生成金属。在这方面地震与地下核爆炸产生的效果应当是相似的,都是高温熔化金属矿石所产生的效果。 2.2. 地震前主要自然反常现象的解释 由于地震发生前震区的地下会有大量高温高压带电气体的聚集和活动,所以会产生很多反常的自然现象。高温高压带电气体的聚集及缓慢释放不仅会影响附近的电磁场还会改变附近的气温和气象。另外,这些高温高压带电气体的聚集和释放还会导致地下局部范围气压的变化,从而造成地层的变型并产生异常的声响。地下气压的变化和地层的变型又会导致地下水位产生变化。 2.2.1. 地下水异常的解释 地下水包括井水、泉水等。主要异常有发浑、冒泡、翻花、升温、变色、变味、突升、突降、井孔变形、泉源突然枯竭或涌出等。地下水的异常是由于地震发生前震区地下高温高压带电气体的聚集和释放改变地下水的液压并造成地层的变型而产生的。由于地下高温高压带电气体的缓慢释放会导致地下矿物质或土壤中的灰尘微粒进入水体从而导致井水或泉水等发浑、冒泡、翻花、升温、变色或变味。由于地下所聚集的高温高压带电气体气压的变化会改变地下水的液压并造成地层的变形和运动,所以会导致井水或泉水等突升、突降、井孔变形、泉源突然枯竭或涌出等现象的出现。 2.2.2. 生物异常的解释 地震前除了动物会有异常表现外有些植物在震前也有异常反应,如不适季节的发芽、开花、结果或大面积枯萎与异常繁茂等。动物的异常主要是由于地震发生前震区地下地幔活跃的带电气体流动以及高温高压带电气体的聚集及缓慢的释放导致地磁场受干扰、产生异常声响和异味的原因。植物的异常主要是地震发生前震区地下高温高压带电气体缓慢释放的原因。因为地震气体的温度非常高,这些气体的释放会改变震区土壤及空气的温度从而导致植物不适季节的发芽、开花和结果。因为地震气体的主要成分是氮气和二氧化碳,而这些元素都是植物所需的养分,加上是离子态气体容易被植物吸收,所以这些气体的缓慢释放会导致植物异常繁茂。但如果释放的气体过于浓则会导致植物的大面积枯萎。 2.2.3. 气象异常的解释 地震之前,气象也常常出现反常。主要有震前闷热,人焦灼烦躁,久旱不雨,或霪雨绵绵,黄雾四塞,日光晦暗,怪风狂起,六月冰雹等等。地震发生前震区地下高温高压带电气体的聚集及缓慢释放对震区的气象当然会有影响。震前的闷热及人焦灼烦躁主要是由于地下热气体的释放使得气温的上升以及地下热气导致的地下水的蒸发使得湿度上升造成的。如果震区没有什么地下水,那么释放出来的热气会导致久旱不雨,如果震区地下水丰富,那么释放出来的热气会导致地下水的蒸发从而导致霪雨绵绵或六月冰雹的出现。怪风狂起应当是地下热气的上升引起的空气流动造成的。由于地下释放出来的气体为带电气体,带电气体在地下的流动过程中会吸附灰尘微粒从而导致黄雾四塞,日光晦暗。 2.2.4. 地声异常的解释 地声异常是指地震前来自地下的声音。其声有如炮响雷鸣,也有如重车行驶、大风鼓荡等多种多样。地震发生前震区地下高温高压带电气体聚集产生的气压会导致震区地壳的微小形变从而使得地下岩石床发生形变或断裂从而产生声响。释放的气体在地下的流动尤其是在地下洞穴中的流动会产生重车行驶、大风鼓荡的声音。 2.2.5. 地光异常的解释 地光异常指地震前来自地下的光亮,其颜色多种多样,可见到日常生活中罕见的混合色,如银蓝色、白紫色等,但以红色与白色为主;其形态也各异,有带状、球状、柱状、弥漫状等。一般地光出现的范围较大,多在震前几小时到几分钟内出现,持续几秒钟。由于地震发生前震区地下会聚集大量高温高压带电气体。地光现象应当就是这些带电气体释放到空气中产生的放电现象。 2.2.6. 地气异常的解释 地气异常指地震前来自地下的雾气,又称地气雾或地雾。这种雾气,具有白、黑、黄等多种颜色,有时无色,常在震前几天至几分钟内出现,常伴随怪味,有时伴有声响或带有高温。地气现象是地震发生前或发生时聚集在地下的高温高压带电气体的释放产生的。 2.2.7. 地动异常的解释 地动异常是指地震前地面出现的晃动。地震尚未发生之前,有时感到地面也晃动,这种晃动与地震时不同,摆动得十分缓慢,地震仪常记录不到,但很多人可以感觉得到。地动异常是由于地震发生前震区地下聚集的高压气体缓慢不均匀的释放造成的。 2.2.8. 地鼓异常的解释 地鼓异常指地震前地面上出现鼓包。这也是由于地震发生前震区地下聚集的高压气体的释放造成的。 2.2.9. 地磁异常的解释 电磁异常指地震前家用电器如收音机、电视机、日光灯等出现的异常。这是由地震发生前震区地下聚集的高压带电气体的释放产生的电磁场造成的。 3. 地震的消除方法 根据本文的理论,地震形成的条件之一是地下高温高压带电气体的聚集。所以,如果能够破坏这种气体的聚集让这种气体缓慢地流出地球,那么我们就能够消除地震的危害。由于对人类造成危害的主要是浅源地震,所以,可以在城市尤其是地震频发的城市周边打一些深井用于常年释放地下气体,这些深井群应当可以保护城市免受地震的危害。为了防止地下气压的过度释放可能带来的危害,可在井内插入耐高温高压的导气管,并安上阀门和压力监控系统,气压过高则自动放气,维持地下气压恒定。 以上方法可以通过查找火山口附近的地震历史资料加以验证。由于活火山就是一个天然的泄压通道,当地下高温高压带电气体在活火山附近聚集时,这些气体会向火山口汇集并通过火山口释放。所以在活火山口附近是不可能发生大地震的。由于死活火山就相当于一个天然的泄压阀,当地下高温高压带电气体在死火山附近聚集时,这些气体会率先冲破火山口的堵塞从火山口释放出来。所以在死火山口附近也不太可能发生非常大的地震。 4. 结论 a. 宇宙的膨胀是所有行星地震及火山喷发产生的根本原因; b. 地震及火山喷发的能量来自于宇宙减速膨胀导致的行星动能的减少所释放的能量; c. 行星大气层的形成及维持依赖于地震及火山喷发所释放的气体; d. 地震是由地下岩浆分离出的带电气体分子的聚集所形成的高温高压气泡的爆炸导致的。 参考文献 王建安, 2018, 论以太的存在及其在物理学中的重要地位和作用,中国预印本服务系统: http://prep.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=2c928282641b5f6b016560ea058e0344 B. Z. Houlton1,*,†, S. L. Morford1,2,*, R. A. Dahlgren1 , Science 06 Apr 2018: Vol. 360, Issue 6384, pp. 58-62 王建安, 2018, 论行星大气层的演化规律及温室效应与宇宙膨胀的关系,中国预印本服务系统: http://prep.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=2c928282641b5f6b0165a75f36cf0420 梁光河 , 2016, 地震新知 , 百科知识 , 第 14 期 : 6-13 已发布: HANSPrePrints20190100000_56890794.pdf
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2019年地球动力学学术研讨会
热度 1 liangguanghe1 2019-3-4 16:19
2019年地球动力学学术研讨会 在老一辈大地构造学家的倡议下,针对目前国内外关于地球动力学问题,特别是驱动板块运动的动力机制仍存在诸多争议的情况下,2019年1月25日在中国地质大学(北京)国际会议中心召开了“ 2019年地球动力学学术研讨会” ,本次研讨会本着少而精的原则,参会人数原定限制在20人之内进行充分讨论,因报名踊跃,实际参会人数25人。会议得到了”地学前缘”期刊的充分肯定和大力支持,参会的著名专家包括莫宣学院士、滕吉文院士、杨巍然教授、万天丰教授、葛肖虹教授、刘少峰教授等,叶大年院士、张国伟院士、任纪舜院士虽然未能参会,但也对这次会议的召开给予了极大支持。会议举办的非常成功,特别是讨论部分时间长,讨论十分充分,取得了很好的效果。 在这次会议上,我做了题为“从大陆漂移到海底扩张探讨地壳运动动力机制”的报告。这是我2019年第一个学术报告。内容大致如下: 报告从大陆漂移和海底扩张的区别开始,认为大陆漂移相当于破冰船自带螺旋桨,而海底扩张相当于破冰船没有动力,大陆漂移靠新生冰推动。之后回顾了魏格纳提出的大陆漂移假说以及提出的两个驱动力:地球自转西向力和极地漂移力。它们都是系统力,无法合理解释大陆板块向各个方向漂移的事实。紧接着对海底扩张假说和板块构造的三大支柱(条带状海底磁异常、深海钻探及转换断层)通过实例进行了逐一论证。认为它们都存在反证,不足以支撑海底扩张假说。事实上美国科学家也意识到海底扩张存在的动力机制问题,从而在21世纪初提出了超越板块构造与地体构造,试图从大陆流变学出发解释全球大地构造,但仍不清楚驱动大陆板块漂移的动力机制到底是什么。之后提出了一个新大陆漂移模型,认为大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移,动力机制可以用传统的伸展构造的形成机制和过程来解释。这个推动力来自一个个连续的伸展构造形成过程。当地幔上涌推动两侧地块向两边移动,处于中心的上涌地幔因上升最高首先凝固,而已经移动的地块必然会在后面腾出空间,产生低压诱发下面地幔进一步上涌,上涌的地幔再进一步推动地块移动,这是一个连锁反应过程。造成的结果是大陆板块仰冲在大洋板块之上发生漂移(相对大陆板块,洋壳就是俯冲在大陆板块之下)。然后通过印度板块后面的三条高精度地震勘探剖面论证了印度板块北漂的动力机制以及左旋成因。在此基础上通过大量证据论证了海南岛的成因、日本成因以及冰岛和新西兰的成因。最后探讨了岛弧成因与深源地震成因机制。认为大陆板块走弧形路径是因为陆块厚度横向不一,导致后面推力差异。而深源地震不可能像传统认识那样,板块俯冲可以让洋壳产生高达80度的弯曲并俯冲,在力学上对脆性上地壳是不可能的。相对大陆板块洋壳只能是近水平俯冲。深源地震产生的机制是部分大陆板块在急转弯过程中,因旋扭力造成下地壳分离并拆沉,发生熔融分异,其中重物质下沉,轻物质上浮。缓慢下沉的弥散状的重物质产生了深源地震。
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新大陆漂移模型-全球构造动力机制探索
热度 6 liangguanghe1 2016-8-30 18:39
新大陆漂移模型 - 全球构造动力机制探索 梁光河 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院矿产资源研究重点实验室 Lgh@mail.iggcas.ac.cn 本文为 2016 年第四届地球系统科学大会报告内容 大陆板块存在大规模水平漂移是地球上的普遍现象,但其漂移的源动力是什么?传统的解释是海底扩张假说,但深海钻探和地球物理观测发现很多证据与此相悖。有必要对旧的假说进行改新。 1 新大陆漂移模型原理 超深钻和地热学推测大陆 40Km 之下温度可达 1200 ℃,大洋地温梯度远高于大陆。本文根据地球深部地温的推测结果结合热力学原理给出了一个新大陆漂移模型,即大陆板块可以在热力驱动下发生漂移,动力机制是大陆板块运移划开洋壳引起岩浆不断上涌,在陆块后面冒泡,巨大的岩浆热动力推着板块往前跑。逻辑很简单:大陆板块运动中其前面处于挤压环境,地下深处的岩浆无法外泄,其后面处于开放环境,地下深处的岩浆上涌,推动大陆板块向前运动。推测洋中脊是大陆板块相互旋转带动洋壳产生的裂缝,同时出现大量羽状排列的切割深达洋壳的平移断层。 大陆漂移过程中因深部处于部分软塑状态,在剪切力作用下,大陆板块下部可能产生低角度拆离断层,从而造成大陆板块下地壳层的拆沉,在大洋中形成缓慢下沉的古板块,与其它板块碰撞造成深源地震。 大陆板块的密度从浅到深是变化的,大陆板块平均密度 3.0g/cm 3 ,上地壳密度约为 2.7g/cm 3 ,中地壳密度约为 3.0g/cm 3 ,下地壳密度约 3.3g/cm 3 ,上地幔密度约 3.3g/cm 3 ,因此一旦大陆板块下地壳发生拆沉,因其密度与上地幔相当,在高温高压作用下会发生相变,密度逐渐增大,造成该大陆残片的缓慢下沉。研究表明日本到我国东北部的深源地震就是一个叫 Izanagi 的呈三角形的拆沉古大陆残片与欧亚板块深部物质碰撞的结果。推测南美洲东部也存在一个拆沉的长条形古大陆残片,其与南美洲大陆板块碰撞造成该地区的深源地震。 该模型说明大陆板块在漂移过程中前端类似一个推土机,会造成大陆板块的增生,同时部分大陆板块在热力不平衡条件下,可能会出现下地壳的拆沉,使得大陆板块在漂移过程中出现消减。也就是说大陆板块在漂移中既会增生也会消减。 我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑 ” 。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解,产生了一个裂缝和岩浆上涌,在初始阶段,大陆漂移与海底扩张一致,但洋中脊喷出的岩浆很快会被海水熄灭,因此海底扩张不能持续,但大陆板块漂移后在其后面持续不断地涌出岩浆并不断被海水熄灭,这个热力推动过程才能持续推动大陆板块向前漂移。 图 1 新大陆漂移模型, A 是大陆板块漂移前的状态, B 是大陆板块漂移后的状态, C 是大陆板块发生拆沉后的状态 2 模型基本特征 该模型有如下特征: ( 1 )大陆板块的最前方因受到挤压高温产生地壳流(图 1 中灰白色部分),洋壳隆起(类似挤牙膏)形成浅海环境; ( 2 )大陆板块前部会产生逆冲断层、造山带、火山带、地震带;同时由于地壳流的上涌会在大陆板块前部的部分地区出现伸展构造;在大陆板块后部产生巨厚沉积和正断层; ( 3 )大陆板块尾部会有拖尾隆起,可能留下火山岛链、大陆碎片遗撒物。 3 实际例证 这些特征在当前地球的板块上都能得到体现,如印度板块目前正在向北漂移,这个漂移过程与新大陆漂移完全吻合(图 2 , 3 ),该模型也合理地解释了马尔代夫岛链的成因机制以及附近的大陆板块残片。同时该模型也能合理解释新西兰、冰岛、日本、台湾陆块的成因及西北太平洋岛弧成因。 新大陆漂移模型能合理解释大洋中存在的诸多地形地貌特征,也能合理解释太平洋中那些线状火山岛的成因机制。推测它们曾经是大陆板块漂移后留下的轨迹和薄弱地带,在泛大陆裂解后,因欧亚大陆向东北漂移,美洲板块向西漂移,同时澳大利亚板块向北漂移,因此太平洋洋壳深部总体呈现一种受压环境,这些板块前端的高压地壳流(或岩浆)在那些薄弱地带被挤出,形成一系列线性火山岛。 图 2 新大陆漂移模型与印度板块漂移状态吻合 图 3 孟加拉湾高分辨率人工地震勘探揭示的深部结构与新大陆漂移模型吻合 该模型也能合理解释全球地震带分布特征,环太平洋地震带是由于其处于大陆板块的前方,整体处于挤压环境,易于积累能量而发生大震,而环大西洋则处于大陆板块漂移的后方,整体处于拉伸开放环境,不易聚集能量而无大震。特提斯地震带主要是由于当前非洲大陆板块整体向北漂移伴随轻微右旋,并与欧亚碰撞的结果。也就是说大陆板块运动的前方是地震带,而其后方则无地震带。 总之,该新大陆漂移模型是一个全新的地球动力学假说,它能对全球的构造特征及其空间分布规律和构造演化过程作出解释;其所依赖的动力因子既有足够的能量,又能合理说明构造变形场的特征; 该模型也符合物理学的基本原理和地球内部物质的物理 - 化学性质。
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构造运动的动力问题
热度 1 liu005777 2012-11-23 09:38
——刘全稳 作为地质学研究的主要内容之一,构造运动在地质作用( 地球科学把自然界中引起地壳或岩石圈的物质组成、结构、构造及地表形态等不断发生变化的各种作用统称为地质作用) 中处于最重要的地位。它不仅是分析地质条件的指路标,也是划分地质年代的主要依据。 构造运动的结果形成地壳或岩石圈的物质的变形和变位。一方面引起了地表形态的剧烈变化,如山脉的形成、海陆变迁、大陆分裂与大洋扩张等,另一方面在岩石圈中形成了各种各样的岩石变形,如地层的倾斜与弯曲、岩石块体的破裂与相对错动等。 构造运动还是引起岩浆作用与变质作用的重要原因,并且对地表的各种表层地质作用具有明显的控制作用。 通常,在一般地质术语或者描述中,构造运动可用造山运动、地壳变动、地壳运动等同义词替代。有时,也可以用某一具体的构造运动事件来说明,如“印支运动”“燕山运动”“喜马拉雅运动”等。 构 造运动所表现出的全球性、周期性和方向性等基本特征,强烈地揭示着地球的运动状态发生改变具有全球性、周期性和方向性。因而,人们必然要问?是什么导致了地球运动状态的改变? 在高中物理中我们就学到了“力的作用是产生物体运动状态发生改变的原因”。所以,研究构造运动,真正需要解决的根本问题是产生构造运动的动力问题。 “现如今眼目下国内外”无论是从形而下探讨运动造成的结果——构造形迹的变化——运动学特征,还是从形而上探讨运动造成的结果——运动时间速率的变化——动力学特征,都只是一种“在商言商”的“浅尝辄止”行为,“动力方程是一种什么属性的东东”“应包含哪些因子”这些本质问题“基金”没有要求、“专项”不知道要求、“课题”不敢设置、“千人”无人触碰、“学者”绕道而索。 从地球上已经表现出的构造运动的基本特征来看,地球发生构造运动的驱动力必须具有如下特点: 首先,它必须表现出全球性,因而,这种力属于体力,所产生的地壳构造运动具有使地球整体脉动的特点;其次,它必须表现出周期性,所产生的地壳构造运动具有周而复始的特点;第三,它必须表现出方向性,所产生的地壳构造运动既具有垂直方向的作用力,又具有水平方向的作用力。 所以,地球动力方程中必须要有周期性函数因子,必须正、负可变。 以“周期性函数、正负可变”两条要素来考察以往各种地学学说中的动力问题,是判断此类构造运动动力问题解答正确与否的重要指标。只有符合条件者,才有可能具备解决问题的前提。 板块构造学说的驱动力问题——地幔对流说,不仅没有符合判断条件的因素,而且连可供判断的动力方程都没有,所以,板块构造学说与其它学说一样,都属于“说说而已”,不属于理论。“板块构造说”与“大陆漂移说”属于同一个故事,只是前者属于新编,情节更丰富一些。 既然“板块构造说”都不可以,那被“板块构造说”否定了的其他学说则更加不可以了。 各位读者,我向您强烈推荐《地球原动力》《地球动力与运动》《理论地质学导论》,它们已将此问题彻底解决,这些力便是——地球胀缩力、地球强中纬力、地球潮汐力等。
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关注民间学者的地学科研活动
热度 3 bqzhu 2011-11-11 16:52
关注民间学者的地学科研活动
人类的起源、生存与发展密切受地球环境和资源的制约,地球上的许多奥密至今还不能得到圆满解释;因此地球科学研究不仅在国家科研机构和勘测部门开展,也受到民间业余科学爱好者的密切关注。近年来特大地震、海啸,百年不遇的洪灾、雪灾、旱灾在世界各地频频发生;资源短缺,环境破坏也日趋严重。这使得人们更加关心地球科学问题。随着人们生活水平的提高,社会的安定,经济的富裕,民间科学活动,已从科普求知逐步走向探索发现。 我接触过不少民间地球科学爱好者。他们用自己的经费,在业余时间或停职期间,走偏大江南北,勤于观察,独立思考,长期从事地学研究,并以新的视野提出大胆设想。这种精神是值得钦佩的。民间地球科学家初生牛犊不怕虎的精神也对地球科学研究机构科学家提出了挑战,产生了冲击。 我听到不少民间学者 批评当前地学界的学者在地球科学研究上缺少“ 大时空观”和“大视野”; 批评国家科研机构的科研人员“拿国家钱,跟洋人走,安传统说,随主流唱,缺少创新思想”。这种批评在相当程度上是中肯的。民间学者在学术上的一个共同点是普遍强烈 质疑“板块构造学说”的正确性。也有的人质疑传统的地质观念,如对于“沉积学”,“黄土的风成说”,“进化论”等等。 随着地球科学各分支领域(构造形变、古地理、古生物、古地磁、同位素年代、大地测量、地震波层析、地球化学示踪等)研究的深化,对地球物质随时间的大规模横向和垂向运动已取得了大量定量观测资料。然而,对于产生运动的动力学机制认识仍然是相当肤浅;对大尺度的地球动力学模型架构则很不成熟或不成功。从 魏格纳 的“大陆漂移说”到“板块构造说”,人们在探求 动力学机制上试图从外力转向内力。架构 板块构造动力理论国外有著名的三架马车。 法籍科学家 Le Pichon 被誉为 板块构造理论的奠基人或主要贡献者。他以毕生的精力 架构了 Runcorn 式的浅地幔对流模型(从海底扩张到板片俯冲,俯冲物质再返回洋中脊),然而在他发表的文章中似乎从来也没有肯定过这个模式可以驱动 板块运动,直到他晚年发表“对板块构造说的反思”。看来这架精心设计的浅地幔对流“永动机”,还是动不起来。与 Le Pichon 齐名的英国地球物理学家 D. Makenzie 也是 板块构造热动力模型的主要架构者。然而在通过 S- 波层析发现青藏高原下存在比许多古老克拉通还厚的岩石圈后,他对碰撞造山模型是否准确表现出无奈与惘然。而第三架马车 Morgan 父子的行走的路线已明显偏离了 板块构造理论原先设计的轨迹。瑞士籍华人地质学家许靖华因曾提出“阿尔卑斯碰撞造山”而成为大陆板块构造研究的先驱。然而在他的晚年竟成了板块构造的强力反对者。因此要阐明地球动力学机制还需要扩大视野,不断反思,多角度去探讨。 中国学者则着重于从外力寻求地球动力学机制。如翁文波先生较早就根据月 - 地关系、潮汐作用解释地壳运动;李四光先生则从地球自转和公转产生的作用力出发,较系统地提出了“地质力学”。几年前,一个民间的下岗职工 - 何代文先生,在贫困与坎坷的岁月里出版了“螺旋力与螺旋运动”一书,批判地发展了“地质力学”。王水禄先生,一个地球科学的“门外汉”,似乎并不了解这些前人的探讨努力。他正在出版一本名为“ 天地筹码·北漂的大陆 ”一书,在他的论著中似乎涵盖了这些前人的认识,并增加了 太阳系“向点”飞行的作用力。 在此基础上他提出了地壳运动 大旋回的 大胆 猜想:大陆从南极而生,以 螺旋运动向北漂移至北极, 后被吸入地球内部。 一个民族要培育创新文化,就要营造有人“离经叛道、 标新立异、 大胆猜想”的气氛,宽容在探索道路上的失败和犯错误。国家基金会设立“非共识项目”,目的也在于此。 作者有点像是鲁迅先生在“无声的中国”中所说的那种主张“拆屋顶”的人。在学术空气沉闷的“屋子 ” 里,由于某种压力使那些想“开窗”透透气的人没有勇气去开窗。有人提出“拆屋顶”虽有点过激,但会增加想“开窗”的人的勇气去把“窗子”打开。 民间学者 在探讨地球科学问题时也常常与人文科学结合在一起,探索人与自然的关系,人类生存的摇篮 - 地球演变的过去、现在和将来。许多人从人文地理与自然地理角度探索北纬 30 度( 31 度),或南北回归线现象的奥秘。人类文明的起源与大地沉浮有着密切的联系。从“ 伏羲女娲”到“亚当夏娃”;从“大禹治水”到“诺亚方舟”,几乎全世界各民族都有“创世洪水”的传说。我国的“山海经”是一部神奇的,民间集成的地球科学著作。它采用了至今人们还不很明白的坐标体系记载了中华民族在人类文明早期对 地球上海洋大陆,山川河流,矿产资源,动物植物分布特征与规律。民间学者对解读 “山海经”有重要贡献。也有人从 易经预测探讨地球灾变。 认真总结人类文明发展过程中在处理人与自然关系方面的成功经验和失败教训,确实做到与大自然和谐相处。要深入开展这一领域的研究,需要自然科学与人文科学携手共同完成。 民间人士在找矿思路上也明显不同于从国外引进的方法(成因研究,物探化探,钻探工程等)。在寻找金矿、自然铜、碗花矿(以氧化钴为主的矿)等方面 民间方法 则成本低效益高。到目前为止,近 90% 的金矿是古人用 民间方法找到的。中医的发展,主力仍然在民间。中医与民间地质探讨之间也有着密切的关系。如不少矿物和铜草等找矿标记植物也是重要的中草药。 民间学者对地球的观察资料主要是根据地理学和地层产状, 他们根据自己的观察现象,对以前的科学观点提出这样、那样的否定也是不严谨的。十八世纪时代,地质与生物科学研究主要是依据观察描述,然后提出假设。十九世纪物理学与化学有了空前的发展。二十世纪以来,地质与生物科学研究不再只依据于观察描述,而是要根据物理学与化学知识来严格测定数据,凭数据说话。达尔文的“进化论”如果是在今天发表,也可能得不到学术界认可的。因此现在地球科学研究的学者已不太敢去大胆设想了,而愿做一些数据的实证。当然这也是一种不好的现象。 民间学者常是独行其事,较少与外界进行学术交流,相互之间交流也很少。它们的研究成果难以在学术刊物上发表。除世界地质大会外,其他学术会议基本上没有他们可以参加的平台。因此这是一个弱势的群体。但是,他们是用自己的经费支撑科研活动,不看任何人脸色行事,因此有较多的独立思考。从这一点上看他们也是一个强势的群体。民间学者的研究成果也是社会的重要财富,政府、国家科研机构和民间社团应关系和帮助他们。我建议是否可以建立一些民间学者的协会和学术交流平台。 与民间学者考察探讨寒武纪碰撞构造
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科学家风采(4)坦然自若斗病魔——记王仁
sqdai 2010-9-14 06:56
【按】王仁院士( 1921 - 2001 )是我国近代力学和地球动力学事业的一位开拓者。我对他的了解主要来自我的好友、他的入室弟子黄筑平教授以及平时的一些接触。他不仅是一位成就卓著的力学家,也是一位终生奋斗不息的、乐观坚强的科研战士。这里追记他在他的人生最后岁月里的感人事迹。 坦然自若斗病魔 ——记王仁 王仁 先生一向身体健壮,年逾古稀时依然精神矍铄,为祖国的力学事业日夜操劳着。他喜爱游泳,每年夏天,都可以在游泳池里看到他活跃的身影;直到 2000 年暑期,他还每天去游泳,完成了每年累计游完一万米的计划。 2000 年 8 月下旬,作为当时我国担任国际理论和应用力学联盟 (IUTAM) 执行局委员的学者,他赴芝加哥参加第二十届国际理论和应用力学大会 (ICTAM 2000) ,为争取在我国举办 ICTAM 2008 而奔波,为落实 IUTAM 北京固体力学暑期学校的举办权而操劳,尽管他没有露出倦意,却日见消瘦。回国后的院士常规体检中,发现王仁先生得了胰腺癌,而且到了晚期!经协和医院复诊,结果属实。这对于与他结缡 55 载的夫人张崇静老师来说不啻一个晴天霹雳,王仁先生也在大夫的反复检查中有所觉察。复诊完毕,到了协和医院门口的书亭前,他止步注视一本书,但他夫人拉着他去吃饭。走了几步,他借口去一趟洗手间,回来时手里多了一本书,在归途中他就仔细翻阅;回家后又认真圈读。夜里,张老师待他休息后,在他的书桌抽屉中看到了那本书,是关于胰腺疾患的。王先生把其中一页折了起来,那页书上写着,胰腺癌患者最多能活 3 ~ 6 个月,他在此处划了一条红线。原来,他已经知道了一切 ! 在随后的日子里,他一直镇定自若,该做什么还做什么,唯一的差别是把工作日程安排得更紧凑了:执笔写报告或文章,参加学术会议,与同事、学生讨论问题,到图书馆查阅资料等等。当他周围的人关切地询问他身体近况时,他总是微笑着说: “ 我很好,吃得下,睡得着 ” 。尽管他的胰脏部位时时隐隐作痛,他总尽力克制着不在外人面前流露出来。 请看王仁先生病重期间所做过的一些事情(不可能列全): —— 写成参加 ICTAM2000 的总结报告,向中国科协和北大汇报。报告叙述详尽,分析精到; —— 组织翻译专题文章《力学的丰碑》,这是 IUTAM 发起编著的《世纪之交的力学》中的一篇,他在病床上亲自修改译文; —— 为《力学与实践》撰写三篇力学科普文章; —— 参加中科院力学所非线性力学国家重点实验室年会,那时他腹痛加剧,瞒着夫人与会,坚持听完了他的学生卢子兴所做的报告; —— 参加教研室的 “ 理科基地建设规划 ” 讨论会; —— 安排以色列学者 Bodner 来访的接待工作; …… 。 直到 2001 年 2 月 20 日 住进医院之时,只要身体许可,他依然与探望者谈笑风生,依然热切地关注着他所挚爱的学术研究! 2 月 8 日 他写了一封给他小妹的未发出的信,他还在说: “ 我实在说来还是蛮好的 …… 。 ” 他有记日记的习惯,但日记写到 2001 年 2 月 14 日 嘎然而止(他实在写不动了!),那页日记上写道: “…… 下午 2 点到 4 点半,讲了近两个小时(这是他最后一次上课!),由于没有整理成文章,讲得还是有点乱。课后回来路上去球系(北大地球物理系,他曾任北大地球动力学研究中心主任)办公室和蔡永恩、赵永红老师聊了一会,觉得有点累,晚上坐在那里打瞌睡, …… 。 ” 几百字的篇幅,所关心的,除了工作,还是工作, …… 。 在王先生住院期间,正在北大访问的美国 Notre-Dame 大学黄乃建教授夫妇前往探望,王先生面带微笑,坦然自若地谈论自己的病情,还谈着学术问题,黄教授夫妇回美国后多次发来电子邮件,黄夫人在一个邮件上写道: “ 这好像不是真的,去年的这个时候,王教授还是如此健康和充满活力,并且展望着芝加哥的会议,乃建与我经常谈到王教授是一位多么了不起的人啊!他能够以如此的坦然与勇气面对他的疾病,他实在是鼓舞我们每个人的榜样。 ” 2001 年 4 月 8 日 上午 10 : 48 ,王仁院士终因胰腺癌引发呼吸循环衰竭,告别了人间,告别了他的至亲好友,告别了他所热爱的科学事业! 参考资料 《王仁先生纪念文集》编委会,仁厚笃实的一生,气象出版社, 2002 : 59 - 60 , 201 - 209 。 写于 2009 年 1 月 18 日 http://blog.lehu.shu.edu.cn/sqdai/A52972.html
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重新认识我们的地球(之十四)全球构造运动莫霍面内波说回顾与小结
热度 1 池顺良 2010-4-1 12:45
重新认识我们的地球 (之十四) 全球构造运动莫霍面内波说回顾与小结 池顺良 ( 1 ) 前言 当前全球构造学说的主流理论是板块构造学说。虽然学界对这一理论褒扬之词甚多,但认真地思考不难发现,这个学说既未能阐明 板块运动的驱动机制,又不适用于大陆地质。 板块说是靠研究 海洋地质起家的,研究对象的这种局限性必然限制了它真正成为全球构造理论的可能性。从产生到现在,它一直在为其登陆而奋斗,由于遇到难以克服的困难,致使这种愿望迄今未能实现。这一事实本身也说明了它 并不具备全球构造理论应当具备的素质(罗永国, 1992 )。 正如罗永国所料,十年后的 2002 年 9 月在美国丹佛市召开了 构造地质学和大地构造学的新航程 研讨会。研讨会明确指出板块构造理论不适合大陆地质。 如果不去寻找新的全球构造理论框架,我们面对的将是一个二元的理论体系;解释大洋地质是一套体系,解释大陆地质又是一套体系。这对于地球科学将是一件十分尴尬而遗憾的事。 另一方面,随着资料积累和探索的深入,已发现很多与板块理论不相符合的事实,大洋内也有很多现象不能用板块构造理论解释,过去作的深海钻探其实很浅。地球科学理论的发展已出现多元化局面和用新理论替代的趋势。已有很多新资料对板块理论提出了质疑和反证(马宗晋)。由此可见,地球科学迫切需要能与板块说竞争的新全球构造假说,以供科学家们比较、验证和选择。 作者因寻找地震的根本成因,从 1975 年起思考大地构造运动的起因,到 1990 年自己感觉思路大致走通。 1991 年,得到中科院测量与地球物理研究所动力大地测量开放实验室支持,申请到了全球动力的内波机制研究课题及经费支持。经过两年工作, 1993 年 11 月 18 日,动力大地测量开放实验室主持召开了板块运动与地壳形变的内波理论研讨会。会议开得很热烈。以后,又应邀到国家地震局分析预报中心、武汉地震研究所报告。全球动力的内波机制新观点得到了学术界初步反响。 照片是 1994 年 9 月 4 日《中国科学报》(现为《科学时报》) 池顺良深入研究地壳运动和动力机制,提出地壳变形的动力机制新说 的报道。 1996 年第 30 届国际地质大会在北京召开。我向大会提交了大地构造的内波假说。在大会的正式出版物中,这一假说列在 5-8 专题(板块构造理论之外的构造理论)的第 1 篇。 2002 年,与骆鸣津合著的阐述我们新观点的海陆的起源一书出版。遗憾的是,新华书店不愿经销这类图书,只能邮寄赠送了一些我熟悉的学者。除收到了刘东生、任纪舜、唐孝威、杨文采几位院士等人鼓励的信件,没有实质性的响应。国人对大的科学问题之谨慎与规避由此可见一班。 2004 年,接到钻孔应变仪全国布网的任务,又全身心投入仪器方面的工作。一干就是五年,直得最近才得闲暇重新检起。这就是全球构造运动潮汐动力说或 全球构造运动内波假说 35 年走过的路程。 ( 2 )全球构造运动莫霍面内波说小结 在分析地质事实的基础上,内波说认为一个海陆位置相对固定、地幔无对流,也不存在板块运动及板块碰撞的大地构造模型更合理、更真实。新假说根据的是以下事实: (1) 重力分异形成了地球的圈层结构;由于幔汁辐射地球内部的放射性物质被带到地表;分异出的玄武岩浆成为地壳的基本物质成分,是地壳运动的物质基础;地壳与地幔间的分界面莫霍面是个化学界面,因此,在某个时间段中,地壳是个相对独立的物质系统。 (2) 地球表面存在强烈的剥蚀作用,大陆物质不断被搬运到海中,如果没有某种反向的物质迁移运动,就无法理解地球上怎么会有陆地及大陆生长的事实,寻找这种物质反向迁移过程是理解大陆维持和生长的关键。 (3) 大陆地质总结出的地槽活动的现象规律,可以看作在较短的波长上重复了大陆和海洋这两种正向和负向单元之间的物质迁移运动;由于地槽是地壳运动剧烈的地区,运动的强度与幅度大,地质学家通过大量野外工作,基本搞清了地槽运动的现象规律,因而有可能从中找到支配运动现象背后的实体机制。 (4) 地球的自转动能和热能是仅有的两种从数量上可提供地壳运动能量支出的能源,地球自转对地壳运动的驱动作用应给于充分研究;只有潮汐作用才消耗地球自转能,因而寻找地球自转动能向地壳运动能的转化必须从潮汐作用着手。 (5) 因地球的转动和日、月引潮力的作用,地球中存在交变潮汐应力;由于地球介质的非弹性,交变的潮汐作用将在介质特征不连续的化学界面处引起物质定向迁移造成地壳厚度变化,将地球的转动能转化为储存于地壳厚度差异中的重力位能,此项能量数量巨大,足够地震、造山等构造运动所需。 (6) 重力位能的释放造成一系列大地构造现象。 在以上事实基础上,作者提出:由于交变潮汐应力的作用,在莫霍面两侧存在一种驱动下地壳及上地幔物质相向水平迁移的潮波驱动力。由于这种驱动力的作用,莫霍面产生自激波动起伏,而导致地壳厚度变化。由于这是发生在分层介质内部的波动而称为内波。发生在下地壳中的物质迁移正是与地表物质从高处向低洼处迁移反向的,因而抵消了陆壳的被侵蚀。莫霍面内波的短波部分,支配了地槽一造山活动过程。长波部分则支配了海陆的分化。新假说属于动力学性质的假说,驱动力是由潮汐作用派生的,所需的能量则来自地球的自转动能。 地壳活动区莫霍面两侧壳、幔物质在潮汐力驱动下水平相向迁移机制是内波说依赖的主导动力机制。但这一机制并非我们首先提出。据我们所知,提出过类似想法的地质学家就有:李四光、克鲁泡特金、梁元博、白文吉、李德威等。 内波假说指出:地壳运动的驱动能源来自地球自转能的耗散;热能的积聚则是内波发生地点和波动生长速率的主要控制因素;大陆地壳受到源于太阳辐射能的外动力地质作用,重力均衡不断被破坏而地壳活动激烈;大洋地壳因受到的外动力作用微弱而活动平静,造成比巨厚的陆壳更富刚性的错觉。因此,地壳运动是在地球自转能为主导能源、地热及外部太阳辐射能为控制及激发因素,这三种能源共同作用下的能量耗散过程。 内波假说对作为短波过程的地槽演化进行了初步的数值模拟,对地槽活动和造山过程中的岩浆、断裂、褶皱、回返等活动的现象规律,给出了可以进行数值模拟的、动力学的解释。内波假说已描述了作为长波过程的陆地从海洋中分化的过程,指出这一在球面上发生的过程,是陆地从高阶球谐分布向低阶球谐分布发展的过程。目前地球上海陆的四面体分布即是二阶分布,地球最终会像月球那样成为一侧陆地、一侧海洋的一阶球谐分布;提出了全球大洋中脊体系的波节线成因模式。;对大陆地壳上部硅铝层的成因也给出了简明的解释;对大洋中的热点及岩浆活动,提出了负荷潮外部加热的模型。以上的各种演化过程,原则上都可以在计算机上实现数值模拟。长波过程只有在超强计算能力的地球计算机上才能模拟其过程。 两极地区缺少地震活动及全球单位陆壳面积地震能量发射强度南、北对称的纬度分布特征,是潮汐作用支配地壳运动的反映。 内波假说从地壳中发生的垂直运动现象出发,最后不仅得到了地壳垂直运动的解释,还获得了关于地壳底部发生大规模水平运动的新图像。这种关于地壳与上地幔物质大规模水平运动的概念与大陆漂移、板块移动的概念完全不同。这是一种发生在地壳深处的大规模的物质水平迁移。迁移运动的时间尺度可跨越数十亿年,空间尺度可跨越上万公里。但正是这种物质迁移运动,抵偿了阳光之犁对陆地无情地吞食,创造出入类赖以生存的大陆! 当前,不少地球科学家寄希望于全球动力的地幔对流实体机制,希望它能提供地壳运动需要的动力。但是,进一步的大洋地质调查及地震波成像技术等方面的最新工作结果却指出了一系列不利于地幔对流模式的事实。地球化学资料与地幔对流及各种热幔柱模型同样存在严重矛盾。地球内部的放射性元素在地史早期就被带到地表的事实;地球形成的星子模型和上地幔化学成分的不均匀性、大型和超大型矿藏的独一无二性,都说明地幔从形成以来没有发生过大规模对流。地震层析及卫星重力资料发现各大陆均存在深达 400 ~ 500 km 的高波速、高密度大陆根的观测事实使任何形式的大规模地幔对流运动事实上不可能发生。由此看来,摆脱地幔对流一板块运动的定势思维。认真地考虑地幔对流之外的地球动力实体机制是十分必要的。根据地质运动现象规律提出的地壳运动的莫霍面内波假说就是这样一种尝试。 内波说与板块说从完全不同的角度解释全球构造。与此相应的是:板块说高度重视地幔对流在它的理论体系中的作用,对地幔对流作了大量研究;内波说则十分重视地幔分异的作用,因为地壳正是地幔分异的产物。按照这一思路,我们根据地震层析和卫星重力、大地水准面资料得出的地幔波速及密度异常与大陆根现象,用地幔分异来解释大陆根的起源。由此,分析计算了大陆下部上地幔分异物质上升速率的量级;解释了大地水准面梨形形状的由来。对于长期困扰人们的放射性物质分布之谜,同样用地球物质的分异(地球排气或幔汁辐射)而得到解释。 内波说源于对地槽运动的认识,是一种新槽台说,只是在地槽运动的动力和物质迁移运动问题上有新的认识,并将地槽运动与海陆分化视为莫霍面内波生长运动不同波长的表现。因此,我们对中国区域大地构造运动主要运动图像的解释与槽台说相似。对中国大陆地区的地震,尤其是发生在相对稳定的华北等地台区的地震,摒弃了流行的板块碰撞机制,提出中下地壳物质塑性流带动上地壳向洋扩散形成拉分盆地引发地震的成因解释。 目前在您面前给出的内波假说显然是个极粗略的假说,但它正与人们对地幔分异过程同样粗浅的认识相对应。将潮波驱动力作为莫霍面起伏微扰结果的分析显然是一种近似,也不一定适于海陆交界处莫霍面出现巨波的情形。更严格的数学、力学分析也许只有在考虑到地球的横向不均匀与地球介质加卸载非线性的潮汐理论中才能作到。 对地幔岩包裹体中浆胞的研究,揭示了原始玄武岩、碱性岩岩浆的生成过程。地壳是由地幔物质分异形成的,分异过程的速率、方式对大地构造运动的重要性是不言而喻的。但是,我们对玄武岩浆在地幔中是如何分异集中到地表的仍然知道得很少。加强对地幔分异的研究,将是地球科学未来发展的重要方向。地幔物质分异过程的研究无论从理论上或从实验上进行难度都很大,但既然分异过程对地球科学十分重要,总会找到方法逐步深入地解答这一问题。 20 世纪地球科学的发展表现在分析过程的不断深化及细化;同时,将各个领域的知识互相渗透,以便对地球整体的演化得到尽可能完整认识的综合过程也在加速进行中。 从分析方面看,现在,地学学科已经划分得相当细,分支学科不下数十种。如岩石、矿物、矿床、大地构造、地球物理、地球化学、地层、古生物、第四纪、气象、海洋、地震、地理等。每一分支学科又划分了许多专业,如岩石学又分为岩浆岩、沉积岩、变质岩、构造岩等,矿床又分为金属矿、非金属矿、煤、石油、天然气等,作为研究方法的同位素地质也分出了 O 、 S 、 C 、 Ar 、 Rb - Sr 、 U- Pb 、 Sm - Nd 、 N 、 Si 、 Os 等,现在还有继续分细的趋势。从事专门化研究的人往往毕生只能在一个领域中工作,其结果是在这种无限细分过程中对地球的整体观不是越来越明朗,而是恰恰相反,越来越淡薄、模糊 。 全球大地构造和海陆起源问题正是需要各地学学科及天文、力学等领域的知识互相渗透、综合研究的问题。但绝大部分生产与科研工作面对的是各种专业领域,故现有的教学与科研体制主要侧重于专业人才的培养,而难以考虑为解决高度综合性的问题培养相应的人才。 由于这类综合问题牵涉到如此之多的学科和领域,只是熟悉相关领域的基本概念就需 多年努力,也不见得就能了解得深入透彻。因此,本书提出的新观点是否有理还须得到各有关领域专家们的认同。但我们相信,各学科专家进行通力合作研究,地球科学的这一重大的综合问题也可能在已有各学科分析深化基础上得到加速进行并取得令人瞩目的成果。 参考文献: 杜乐天,地球排气作用建立整体地球科学的一条统纲,地学前缘, vol.7 , No.2 , 2000 。
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重新认识我们的地球(之八) 阶段回顾
池顺良 2010-3-16 13:07
重新认识我们的地球 (之八) 阶段回顾 池顺良 从 09 年 12 月 5 日到今年 2 月 17 日,我在科学网上贴出板块说的缺陷与地学的贫困、摒弃板块说的理由( 1-6 )等十篇博文。对板块说提出批评和质疑。这些博文立即受到板块说支持者的强烈批驳。 社会需要民主,科学更需要民主。真要感谢科学网提供了一个不同学术观点直接交流、接触、碰撞的平台。面对面的文字交锋让双方的关切点能直接见面。在经过一番交峰后,对本人反对板块说的批驳意见逐渐停止了下来(详情参见我的博文对批评者的答复-关于柯石英与大陆深俯冲问题的再讨论(上、下))。 在双方文字交锋中, 我 介绍了我国著名地质学家杜乐天研究员( 国家科技进步一等奖获得者)很早就指出 板块理论存在五个缺证、四个矛盾、五个无力、八个疏漏,是一个存在诸多问题的理论。 之后,争论双方 达成了某种共识: 板块说需要找到驱动动力机制并进一步改进、发展;不同驱动机制的新观点也可努力探索。 科学网的网友都是崇尚科学、服从真理,探索求真的知识阶层。相信通过摆事实、讲道理,互相学习取长补短,学习新知修正错误,在探求科学真理的道路上会走到一起。也许就打开了一扇通向新知识的大门。 板块说被宣传为地球科学革命的成果。从小学自然课、中学地理课到大学专业课讲授的大陆漂移、海底扩张、板块构造学说都被描述为 对造山作用、火山活动、地震、生物界演化、古生物地理以及地质学的其它方面做出了普遍适用的、完整的和毋庸置疑的解释。课程中谈论这个假说的基本矛盾和弱点极少。 还有大量这类性质的科普宣传令大众错误地以为这个理论已经被完全证实。而实际上它仍然还只是个假说。正如网友 zhaowanfu 在评论中所言: 科学需要发展,更需要质疑。 僵化 、 奴化 某些 理论 只能阻碍科学的进步!人类目前对地球科学的认识只是一点皮毛,还差得很远! 破除迷信才能解放思想。摒弃板块说的理由( 1-6 )六篇博文是破字篇。指出了板块理论存在下述缺陷: 1. 不能说明海陆的起源 2. 无视地球自转在地壳运动中的重要作用 3. 地球演化中确凿存在又极其重要的地幔分异(轻者上浮、浊者下沉)过程被忽视 4. 没能反映地质内动力和外动力间的对立统一关系。 5. 不能解释中国大陆的地震活动 但破不是目的,我们的目的是要找到支配全球大地构造运动真实的机制及动力,新理论当然应该克服上述缺陷。破字当头、立在其中,重新认识我们的地球( 1-7 )是立字篇的前 7 篇。但立却是一项艰巨的任务。 全球构造运动动力及实体机制的探索要求探索者具有深厚的学术功底。 在科学已经高度分化的时代,可以说没有一个科学家具备解决这一难题所需要的全部知识。博主也深知自己墨水甚浅。新地球观的建立,需要一大批不同专业学者共同努力,才能构建起来。在开始阶段,由少数先行者栽下的幼苗必然是幼小的。小苗能否长成大树关键在于苗子本身有没有强盛的生命力,而不在于有没有受到大家的精心的呵护。当然,必要的最基本的生长条件还是需要的。 立字篇的前 7 篇发出后,从初步的反映看, 我们提出的以地球自转 动能消耗为全球构造运动主导动力的新地球观是能够站住脚的。文章中提出的机制都是很具体的,如果存在科学上的低级错误,想必拍来的砖头定不会少。但 从 2 月 24 日发出第 1 篇到 3 月 14 日发出第 7 篇,将近 20 天时间里,活跃的科学网上一个批评或质疑都没有, 7 篇博文都被 boxcar 推送到了析万物之理。 我提出自己的新地球观,就是作好了当小媳妇, 准备接受众人 横挑鼻子竖挑眼 的。 我期待反对者有力的批评,找出这一新地球观的根本性缺陷和问题;或是有价值的建议,完善或提高这一新地球观使之更有生命力。 这一新资用假说是作者 35 年前开始思考,经数十年思考深思熟虑的结果。正因为花费的精力不少, 我真诚地欢迎得到地学、力学、数学、物理方面老师们的批评、关心和帮助,期望共同攻克这一长期困扰地球科学的难题。如果这个 资用假说能够发展成新的全球构造理论,那是中华民族摆脱了 200 年民族耻辱后取得的成果。安定和相对良好的环境提供了思考这些科学大问题的必要条件。事实是在数十年的思考和研究中我确实得到过许多老师的帮助和指教。 我最不希望看到的是作为学术争论,对方既不说你错、也不说你对。要是这样,中国科学发展的希望就渺茫了。 作者在今后几篇中,还将结合更实际的问题阐述这一新地球观在地质、地震等问题上得出的与板块说截然不同的看法和结论。
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摒弃‘板块’说的理由(五)新一轮全球构造百家争鸣已拉开帷幕
热度 1 池顺良 2010-2-13 09:57
〔按〕从 1 月 27 日在科网博客上发出第一篇摒弃板块说的理由(一)博文后,已过去了半个月。此期间网友们对这 4 篇博文的反映既有支持者,也有反对者、讥笑嘲讽者。 莫顿给出科学的四条原则: 非盈利性、普遍性、公开性和可怀疑性 。 武际可认为: 现代科学方法就是思辨推理与观察实验相结合的方法。用这种方法为人类添加符合莫顿四条原则的知识,就是现代科学的全部。 简而言之,科学就是要 摆事实、讲道理。不唯上,不唯书,不唯洋,只唯实。 强调 实践是检验真理的唯一标准。 因此,对于认为 板块构造和大陆漂移基本框架不容置疑的之类的非具体科学证据上不同意见的评论,我只是表示我赞同上述关于科学性质的论述并努力遵照这些原则行事,而不一一作答。 我在另一篇博文中谈到, 地质大学有顺口溜:小构造吵吵闹闹,大构造胡说八道。青年大学生童言无忌,反映的是从一、二年级学习逻辑性甚强的理化基础科转到学习地质专业课时,学生对两种学科差异的感受。 相对于理化课,大地构造学、地球动力学等地球科学实在还是年轻的、尚未成熟的学科。只要想到现在的主流学说,竟然连运动的动力来源到现在都没有搞清,难道我们不应该对它提出更多的质疑吗?下面请看第五篇的内容。 1) 摒弃板块说的深层次理由 板块构造学说在海底扩张,消减、碰撞作用,地幔对流驱动,板块运动机制等方面遇到困难;应用于大陆,遇到了难以克服的挑战。板块构造的驱动力仍然是个疑谜。只要驱动力问题不解决,那么它仍然只是一种在继续思考和探索的假说(陈道汉,现代行星物理学, 1988 )。 虽说板块假说一提出就遭到反对,然而,反对归反对,只要反对者提不出更有生命力的可替代板块说的全球构造理论,板块构造的拥护者就会说,板块构造虽然有它的问题,但在所有大地构造学说中还没有哪一个能比得上它。实际情况也正是这样,当前只是由于缺乏可行的、有竞争力的全球构造新假说,使得板块说逃避了通常科学发展中批评性的比较。 地球科学当前迫切需要与板块假说竞争的新全球构造假说,供科学家和研究者们比较和验证。 地球科学迫切需要能与板块假说竞争的新全球构造假说,还在于板块假说理论体系存在若干根本性缺陷: ( 1 ) 大陆漂移说和板块说的理论框架中不包含大陆和海洋发生、维持及发展的内容。 大陆漂移说和板块说中,海洋和陆地这些实体一开始就已存在。理论只是描述陆块的分裂及海、陆位置的变迁,并未像 物种起源 或 太阳系起源 理论那样,向人们描述大陆和海洋实体从无到有的生成、发展及演化。 一个不能说明海陆起源的地学理论是没有多少价值的。 ( 2 ) 无视地球自转在地壳运动中的重要作用。 地震学的一个重要事实是:纬度高于 73 度的两极地区地震活动极其微弱。位于地球自转轴两端点的极区无地震揭示了地球自转在地壳运动中的重要作用。然而,地球自转的作用在板块说中并没有得到反映,两极地区为何缺少地震也一直令板块说困惑。自转是地球的重要属性,一个没有地球自转地位的全球构造理论是没有生命力的。 ( 3 ) 没有反映内动力地质作用与外动力地质作用间的对立统一关系。 陆壳经受强烈的削平风化外动力地质作用;洋壳受到海水的保护,经受的外动力地质作用小得多。与此相应,陆壳的构造变形剧烈;洋壳构造变形微弱。这样明显的对立统一关系在板块说中全无反映。 ( 4 )最致命的是与地质实践事实不符。 2) 新一轮全球构造百家争鸣已拉开帷幕 事实上,各种新理论思考正在各国科学家头脑中形成。新一轮有关大地构造和地壳运动理论研究的百家争鸣事实上已经拉开帷幕。 地质科学正处于一个新的起点上,一个充满希望和挑战的新的转折时期。一些国家已开始立足大陆地质和造山带研究,瞄准创立诸如行星地球统一理论、超板块构造理论和大陆动力学理论部署前沿研究。虽然这些理论还未建立起来。(肖庆辉, 1992 ) 1992 年,板块说的主要反对者之一, Meyerhoff 及其合作者提出了全球构造的新概念-颤动构造假说。 1996 年在北京召开的第三十届国际地质大会上,专门设立了板块构造理论之外的构造理论专题。会上提出了一批全球构造新假说。 新地球膨胀说、脉动说 (膨胀-收缩交替) 重新活跃起来 。 所提出的 地球膨胀形式 也多式多样。 蒋志等( 1981 ) 、 Milanovsky ( 1996 )提出 脉动膨胀说; 王鸿祯等( 1995 )提出 非对称膨胀说;朱林(1996)的整体膨胀,非均匀展开说; Lubimova ( 1967 ) 的小幅度膨胀说; Owen 等( 1976 )的 大幅度膨胀说,等等。 新一轮地学革命正在孕育中。
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放射性元素集中于上地壳的原因及其地球动力学意义
池顺良 2010-1-30 09:37
     对地球内部热源及其分布规律的认识在大地构造学史上占有重要的地位 . 第一种大地构造学说 冷缩说 的崩溃显然与放射性元素的发现有关 . 现今流行的大地构造理论 地幔对流 - 板块构造说 又是以地球内部的热为根本动力的学说 . 因此 , 对地球内部的热源、放射性元素分布规律的研究仍然是现今地球动力学研究的重要问题 . 地热学的研究指出 : 在广大地区进行的热流观测资料 , 只有放射性热源浓度随深度指数衰减 , 才能得到解释 . 铀、钍和钾是主要的放射性热源元素 , 为何含铀和钍的致密重矿物会违反重力分离的预测向上集中 , 明显地分离于地幔的紧密堆积之外 , 而与地壳矿物结合在一起 , 还是一个未知之谜〔 1 〕 . 但铁陨石与石陨石中放射性元素含量的巨大差别又旁证了放射性热源浓度随深度指数衰减的现象 . Anderson 在《地球的理论》一书中指出 : 球粒陨石和太阳物质中的 Al2O3 、 CaO 和 Na2O 含量适于形成厚 200 km 的地壳 , 地球上实际没有那样巨厚的地壳 , 说明地球没有经历非常有效的分异 . 另一方面 , 地核的大小和放射性大离子亲岩元素最终集中于地壳中 , 说明分异已是相当有效的 . ?? 现在我们知道 , 地球地壳的总体积异常的小 , 但是它却含有地球不相容元素总量中的大部分〔 2 〕 . 地壳物质分异的极不充分与放射性元素已充分集中于地表这一矛盾现象是现今地球科学理论中的又一疑团 . 1  地球排气作用导致放射性元素向地表集中 地球的排气作用 , 为理解玄武岩质岩浆的发生及玄武岩质地壳的形成提供了新思路〔 3-6 〕 . 地球排气作用 , 也为理解地球中放射性元素为何集中于地壳 , 放射性元素的分布为何在地壳中随深度指数衰减这一疑谜 , 提供了认识的钥匙 . 地球是由太阳气体尘埃星云物质吸积形成的 , 太阳星云中富含氢元素 , 因此地核与地幔中储存有巨量的氢 . 在地球内部极高的压力和温度下 , 氢以超临界流体形态存在 . 地球内部巨大的压力和地表的零压 , 形成了从地心指向地外的强大压差场 . 由于压力差、浓度差、温度差等动力的驱动 , 氢流向地外辐射 , 当氢流向上穿透下、中地幔时会把大量分散的活性很大的阳离子萃取出来并携带向上 ( 地幔岩中的 不相容元素 一般为大半径离子或高电荷元素 , 它们在地幔橄榄岩、石榴石、尖晶石、辉石晶格中不易容纳 , 在高压下它们从镁氧化物及硅酸盐晶格中被挤出并处于活化态 ). 其中最重要的萃取组分是锂 (Li) 、钠 (Na) 、钾 (K) 、铷 (Rb) 、铯 (Cs ) ( 呈氢化物形式 ), 同时将钛 (Ti) 、磷 (P) 、稀土元素 (REE) 、铌 (Nb) 、钽 ( Ta) 、锆 (Zr) 、铀 (U) 、钍 ( Th) 、铅 (Pb) 、锶 (Sr) 、钡 (Ba ) 等元素随带向上迁移 . 在地幔条件下 , 上述化合物是挥发性的 . 这些被氢元素携带的挥发性物质将通过地幔硅酸盐矿物颗粒间隙、晶体位错、缺陷或晶体的晶格向上扩散 . 在浓度差的驱动下 , 某种元素通过某种晶体的净流量 J 与此种元素浓度 N 的梯度 grad N 的关系为 : J=-D grad N . (1) 实验测定 , 在 1 273 K 时 , 氧元素通过镁橄榄石的扩散率 D 为 2 10 -20 m 2 / s 〔 2 〕 . 在压力差、 温度差的驱动下 , 也有同样的扩散方程 . 中国原子能科学研究院山常启测量了氢的同位素氚通过地幔岩 ( 二辉橄榄岩 ) 的渗透率 , 计算 出氚通过地幔岩的扩散系数、溶解度系数 . 在 473 K, 氚通过镁橄榄石的扩散率为 1. 23 10 -9 m 2 /s, 比硼玻璃大 8 ~ 9 个数量级 , 有极高的渗透性能〔 7 〕 . 从地球形成时起 , 由地心向外辐射状的强大压差场就已存在 , 由于放射性物质与钾、钠等碱金属元素的数量相比要少得多 , 氢流在较短时间内就将绝大部分放射性元素带到了地表 . 这就解释了为何地幔玄武岩还没有经历非常有效的分异 , 但放射性大离子亲岩元素大部分已集中到地壳中 . 大部分惰性气体在地球史的第 100 个 Ma 就脱出了 , 但对幔源物质中稀有气体及其同位素组成的研究表明 , 地球的脱气尚未完成 , 迄今地球原始稀有气体 组分 3 He 、 Xe 和 20 Ne 仍不断地从地球内部脱气〔 5 , 6 〕 . 地幔岩中玄武岩浆分异作用的进行 , 仍 要依靠 幔汁辐射 作用才能得以完成 . 地球的排气作用将地球深处的放射性物质在地史早期就都带到了地表 . 这一过程是在扩散方程控制下进行的 , 地表是扩散过程的终点 , 所以放射性元素的含量从地表向深部以指数率迅速衰减 . 小行星作为陨石的母体在其形成初期 , 由于短周期放射性元素等加热作用 , 星体内部温度升高 , 开始了排气与分异过程 . 由于星体太小 , 热量逐渐散失 , 随着温度降低 ( 降温约 0. 5 ~ 2 K/ Ma) , 分异与排气作用在小行星形成后约 100 ~ 1 000 Ma 后逐渐停滞 . 但就在这段相对较短的时间里放射性元素已大部分被带到了小行星的表面 : 位于小行星深部的铁陨石几乎不含放射性成分 ; 位于较深部位的石铁陨石中放射性含量很少 ; 位于浅部的石陨石中放射性含量较高 . 小行星碰撞碎后 , 陨石作为小行星的碎片 , 将小行星内部发生的分异与排气过程及其结果展示在我们面前 . 地球由于体积大 , 从形成后 4 600 Ma 以来 , 内部温度至今未降下来 , 排气作用一直持续至今 , 因此 , 地球铁质地核中放射性元素的含量只会比陨铁中的含量更少 . 而据实测 , 铁陨石中放射性元素的含量只有花岗岩中放射性元素含量的数十万分之一 . 下地幔与地核中放射性热源的含量完全不足以提供地球构造运动的需要 . 2  讨论 板块全球构造理论是当前占主导地位的大地构造学说 . 对于板块运动的动力来源 , 目前一般都归因于地幔对流 ; 因此 , 地幔对流说成为最流行的地球动力学学说 . 但是 , 板块构造学说在动力来源问题上仍存在争议 . 盖保民 认为 : 关于地幔对流的具体机制 , 目前仍处于众说纷纭的状态 . 至于地幔对流是否能够驱动板块有规律运动并合理解释全球构造现象 , 也是一个存有重大争论而未确定的问题 . 甚至说 , 大规模地幔对流究竟能否发生 , 也尚属疑问 . 天文学家陈道汉 认为 : 到目前为止 , 板块构造还只是一种运动学理论 , 只涉及运动和运动的可测效应 . 即使是地幔对流说本身 , 也因没有直接证据和存在若干理论上的困难 , 也还是没有定型的假设而已 , 故而板块构造的驱动力仍然是一个谜 . 因此 , 尽管板块构造假设被多数人所肯定 , 只要驱动力问题不解决 , 那么它仍然只是一种在继续思维着的假设 . 这一来自非地学部门学者的评价是客观的 . 马宗晋认为 : 任何一种合理的地壳动力学或地球动力学假说至少要满足以下一些条件 : (1) 能对全球的构造特征及其空间分布规律和构造演化过程作出解释 ; (2) 所依赖的动力因子既有足够的能量 , 其作用方式又能合理说明构造变形场的特征 ; (3) 应符合物理学的基本原理和地球内部物质的物理 - 化学性质 . 从这些判别条件看 , 迄今还没有一种地球动力学假说是完善的 . 地幔对流是一种热动力机制 , 对流运动的发生及维持必须由地球内部提供热能给对流体加热 . 对于全地幔对流模式 , 对流的上边界位于软流圈顶部 , 此处温度约 1 200 ℃ , 对流的下边界位于核幔边界 , 温度约 3 800 ℃ , 要将上边界处下沉的 1 200 ℃的地幔物质加热到 3 800 ℃ , 单靠下地幔和地核物质的热容潜热是维持不了对流的 . 只有放射性物质才能提供对流所需的巨大热能 . 而且 , 这种加热的放射性热源应当在地幔对流体的底部 ( 或中部 ), 而不能在顶部 . 因此 , 地球内部放射性热源的分布将决定地球热动力机制能否输出动力 . 我们不能想象 , 一台燃烧室设在锅炉顶部的热机能输出动力 . 但是 , 如上所述 , 地球中绝大部分放射性元素已经集中到地表 , 对流热机的燃烧室不在锅炉底部 , 这就使地幔对流这台地球热动力机能否输出动力成为严重的问题 . 现今地球深部 ( 地核和下地幔中 ) 放射性元素的含量应比铁陨石中更稀少 . 由此可见 , 地幔对流 这 部 板块运动 的热力原动机是缺乏热动力源的 . 冷缩说最终因放射性的发现而崩溃 ; 对地球排气的认识使我们了解到 , 放射性物质在地史早期即集中到了地表 , 而给 地幔对流 这台热动力机釜底抽了薪 . 由于从数量上能提供大地构造运动的地球内部能源 , 只有热能和地球自转能 2 种 , 寻找地壳运动力源的地球科学家应更多地将探索的目光从 地幔对流 机制转移到 地球自转 动力机制的研究上来 . 参考文献 : Garland G D. 地球物理学引论 . 陈 , 唐晓明 , 译 . 北京 : 地震出版社 ,1987. 425 -428. 安德森 D L. 地球的理论 . 关华平 , 杨玉荣 , 译 . 北京 : 地震出版社 ,1993,11,39,181-185. 杜乐天 . 地幔流体与玄武岩及碱性岩浆成因 . 地学前缘 ,1998 , 5 (3) : 145 -157. 杜乐天 . 地球排气作用 建立整体地球科学的一条统纲 . 地学前缘 ,2000 , 7 (2) : 381 -390. Brown H.Rare gases and formation of the Earth s atmo2 sphere . In:Kuiper GP,ed. AtmosphereoftheEarth and planets . Chicago : University of Chicago Press , 1952. 258 -266. 朱岳年 , 许多 , 张友学 . 地幔脱气作用和大气圈惰性气体形成与演化 . 地学前缘 ,1998 ,5 ( 增刊 ) : 166 -174. 杜乐天 . 地幔流体与软流层 ( 体 ) 地球化学 . 北京 : 地质出版社 ,1996. 430. 盖保民 . 地球演化 ( 第一卷 ) . 北京 : 中国科学技术出版社 ,1991. 198. 陈道汉 , 刘麟仲 . 现代行星物理学 . 上海 : 上海科学技术出版社 ,1988. 146. 马宗晋 , 杜品仁 . 现今地壳运动问题 . 北京 : 地质出版社 ,1995. 118. 傅承义 , 陈运泰 , 祁贵仲 . 地球物理学基础 . 北京 : 科学出版社 ,1985. 77 -79. 曾融生 . 固体地球物理学导论 . 北京 : 科学出版社 , 1984. 132.
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三种轨道高度的地球动力学激光卫星
jlpemail 2008-12-1 19:45
大自然好像要千方百计地为自己披上神秘的面纱一样。任何一种技术都有其两面性,优势和缺陷相互关联。就空间大地测量技术中的 GNSSS/VLBI/SLR 而言。前者使用的是无线电信号,号称全天候的测量和定位、导航方式。但其绝对精度不如 SLR ,相对精度不可与 VLBI 同日而语。 SLR 是绝对精度最高的测量技术,但其数据的获取无法全天候。因为使用的是可见光脉冲进行距离测量。 VLBI 利用了射电源的辐射,可以进行上万公里基线的观测,但其原理为干涉测量,所以只可观测基线两端点的坐标差。 GNSS 技术目前普及率最高,得益于其小型化。 VLBI/SLR 距离便携还有相当的距离,发展自然受到了局限。 即使在 SLR 技术内部而言,不同高度的卫星,尤其是反射器非常规范的地球动力学卫星它们的设计寿命一般相当长获取的数据也不同。中高度的卫星,例如 LAGEOS 飞行于大约高 6000 公里的轨道上,一般观测站的可观测时间为数十分钟。而高轨道的 ETALON 卫星,飞行高度约 19000 公里,所以可以观测的时间长达数小时。但是,其数据获取难度远高于中高度的 LAGEOS 卫星。近地轨道的 AJISAI (高度1500公里) 、 GFZ-1(400公里) , STELLA(高度约800多公里) 等,数据获取比较容易,但精度要比中高轨道的卫星数据要差;而且可观测的时间不过几到十几分钟。近地卫星获取的距离观测数据的单次通过时间短,但由于它们的运行周期短,一般在 24 小时内可以多次观测。相对应的是中高轨道卫星的观测次数,在一个昼夜内要比近地卫星少的多。 即便仅仅以地球动力学为研究目标,或者以地球重力场的低阶次模型为研究对象。三种高度的地球动力学激光卫星,各有千秋。远近高低各不同,好像站在不同的高度观测地球的人一样,三种高度的卫星观测到的地球景象或者数据都有其系统的偏差性。总采用一种卫星观测数据,有些误差就不容易被探测出来,无法消弱。如果把近中高卫星获取的观测数据以低频、高频和超高频的信号代替的话,不同高度的卫星自然就是以不同的频率在进行地球探测了。它们结果的差别类似于以红外线/可见光/紫外线以及其它频率的无线电波,对地球进行观测,得到的图像不同,无法相互替代。 即使目标一样,也不宜仅仅使用一种卫星的观测资料进行研究和分析。各种高度或者角度的信息都有其价值。综合不同高度卫星的资料进行分析,难度的确增加了,但很有必要。 文献中,仅仅就一种卫星数据进行分析和研究的比较常见;对两种或者多种数据进行综合分析的比较少见,故而难能可贵。 (笔者博客的总浏览量刚过50万,本来想说些感谢编辑部和感谢博友的套话。一时没有找到合适的言语,还是以这不离本行的一千字略做表示吧。)
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